Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния проблемы и задачи исследования 12
1.1 Анализ экспериментальных и теоретических исследований железобетонных элементов, работающих при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий 12
1.1.1 Анализ исследований динамической работы бетона и арматуры в нормальных условиях и в условиях высокотемпературного нангрева 13
1.1.2 Анализ исследований работы железобетонных конструкций, работающих при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий и после остывания 26
1.2 Анализ методов расчета сжатых железобетонных элементов на кратковременные динамические нагрузки 40
1.3 Анализ методов расчета железобетонных конструкций в условиях огневых воздействий 43
1.4 Анализ существующих методов расчета железобетонных конструкций на прогрессирующее обрушение 48
1.5 Выводы по Главе 1 54
ГЛАВА II. Экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий 55
2.1 Программа проведения эксперимента 55
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований динамического поведения центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях 58
2.3 Результаты экспериментальных исследований и их анализ
2.3.1 Результаты статической и динамической прочности бетонных кубиков и призм в нормальных условиях и после температурного нагрева 67
2.3.2 Испытание арматурных стержней класса А500 при статических и динамических нагружениях в условиях высокотемпературного нагрева и после остывания 72
2.3.3 Влияние огневых воздействий на прочность центрально и внецентренно сжатых железобетонных колон - образцов 76
2.3.4 Результаты статических и динамических испытаний центрально и внецентренно сжатых железобетонных образцов (колонн) в нормальных условиях 78
2.3.5 Результаты испытаний центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при статических и динамических нагружениях после остывания 84
2.4 Коэффициент динамического упрочнения сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания 91
2.5 Выводы по главе II 94
ГЛАВА III. Разработка методики динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом высокотемпературных воздействий 95
3.1 Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на динамически нарастающую нагрузку с учетом нелинейных свойств материалов 96
3.2 Аналитический расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на динамически нарастающую нагрузку по деформированной схеме 103
3.3 Методика и алгоритм расчета внецентренно сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий 109
3.4 Численный пример динамического расчета внецентренно сжатых железобетонных элементов - колонн, в условиях огневых воздействий и после остывания 123
3.5 Сопоставление аналитических результатов расчета с численными методами в программном комплексе Ansys 14.0 132
3.6 Выводы по главе III 135
ГЛАВА IV. Расчет многоэтажного каркасного здания с учетом динамической прочности сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях 136
4.1 Алгоритм нелинейного статического и динамического расчета монолитного многоэтажного железобетонного каркаса на устойчивость к прогрессирующему обрушению 136
4.1.1 Нелинейный статический расчет железобетонного многоэтажного каркаса в нормальных условиях и в условиях огневых воздействий 143
4.1.2 Нелинейный динамический расчет железобетонного 25-этажного каркаса при прогрессирующем обрушении с помощью Sap 2000 155
4.1.3 Расчет монолитного 25-этажного каркаса на прогрессирующее обрушение при Т = 500 С и Т = 900 С с помощью ПК Sap 2000 167
Заключение 180
Список литературы
- Анализ исследований работы железобетонных конструкций, работающих при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий и после остывания
- Результаты статической и динамической прочности бетонных кубиков и призм в нормальных условиях и после температурного нагрева
- Аналитический расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на динамически нарастающую нагрузку по деформированной схеме
- Нелинейный статический расчет железобетонного многоэтажного каркаса в нормальных условиях и в условиях огневых воздействий
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Практика возведения и эксплуатации высотных зданий показывает, что во всем мире в последние годы увеличилось число чрезвычайных ситуаций техногенного характера (аварийные взрывы и удары внутри здания, аварии, вызванные низким качеством проектирования или строительства, пожары и т.п.). Расчет конструкций при разных сочетаниях нагружений должен проводиться с учетом прочностных и деформативных характеристик материалов. Огневые воздействия, которые достигают 800-900С в помещениях жилых и общественных зданий, меняют не только статические, но и динамические прочностные и деформативные свойства несущих элементов. Несмотря на большое количество исследований, посвященных статической работе железобетонных элементов с учетом температуры, совместная работа динамического нагружения на центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы в условиях повышенных температур мало изучена. Тем самым исследование прочностных и деформативных свойств сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружений в условиях огневых воздействий является актуальным.
Учет изменения динамических прочностных и деформативных характеристик материалов в условиях огневых воздействий, несомненно, повысит уровень безопасности зданий и позволит оценить стойкость конструкции зданий при чрезвычайных ситуациях.
К настоящему времени не существует методики для расчета несущей способности центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн, работающих при динамическом нагружений в условиях огневых воздействий.
Такая методика динамического расчета сжатых железобетонных элементов позволит правильно оценить несущую способность конструкции здания при разных термосиловых воздействиях, а также эксплуатационные риски.
Степень разработанности темы исследования. Экспериментально-теоретическими исследованиями железобетонных элементов при динамических нагружениях занимались Алмазов В.О., Бондаренко В.М., Гвоздев А.А., Гениев Г.А., Дроздов П.Ф., Жарницкий В.И., Забегаев А.В., Карпенко Н.И., Клюева Н.В., Кодыш Э.Н., Колчунов В.И., Копаница Д.Г., Кумпяк О.Г., Мамин А.Н., Плевков B.C., Плотников А.П., Расторгуев Б.С, Тамразян А.Г., Травуш В.П., Трекин Н.Н., Hachem М.М., Mahin S.A., Lokuge W.P. и Setunge S., Majevski Т. и другие.
Исследованиям поведения строительных конструкций при огневых воздействий посвящены работы Бушева В.П., Кузнецовой И.С, Курлапова Д.В., Милованова А.Ф., Пчелинцева В.А., Панюкова Э.Ф., Романенкова И.Г., Ройтмана В.М., Тамразяна А.Г., Федорова B.C. и др.
Экспериментальные исследования Баженова Ю.М., посвященные работе бетонных образцов при динамическом нагружений в условиях огневых воздействий, позволили выявить эффект разупрочнения у бетонных стандартных восьмерок. Проведенные исследования ограничивались только испытаниями бетонных образцов, при этом не изучалось динамическое поведение железобетонных образцов при повышенных температурах.
Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ по исследованию НДС центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов
при статических и динамических нагружениях в нормальных условиях, до сих пор
работа таких элементов при динамических нагружениях с учетом температурных
воздействий мало изучена.
Научно-техническая гипотеза диссертации заключается в понижении
прочности сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в
условиях огневых воздействий.
Целью диссертационной работы является исследование прочностных и
деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых
воздействиях и после остывания.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания при статических и динамических нагружениях;
исследование динамических прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при огневых воздействиях и после остывания; исследование коэффициента динамического упрочнения центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях и после остывания;
сравнительный анализ статического расчета монолитных высотных зданий в нормальных условиях и расчета при огневых воздействиях с учетом геометрической и физической нелинейности;
расчет динамической прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов в составе железобетонного каркаса при огневых воздействиях; использование прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях при оценке стойкости монолитного высотного здания к прогрессирующему обрушению. Решение перечисленных задач позволит оценить прочность и деформативность
сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях
огневых воздействий.
Объектом исследования являются центрально и внецентренно сжатые
железобетонные элементы.
Предметом исследования являются прочностные и деформативные
характеристики сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в
условиях огневых воздействий и после остывания. Научная новизна данной работы:
-
Результаты экспериментальных исследований влияния огневых воздействий на прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при статических и динамических нагружениях.
-
Зависимости динамической прочности сжатых бетонных и железобетонных элементов от повышенной температуры.
-
Адаптированная методика и алгоритм динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом огневых воздействий, на основе которого создана вычислительная программа, реализованная в ПК Wolfram Mathematica.
-
Результаты динамического расчета прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях.
-
Результаты расчета многоэтажного каркасного здания на прогрессирующее обрушение с учетом прочностных и деформативных свойств сжатых
железобетонных элементов при огневых воздействиях.
Теоретическая значимость работы заключается в возможности изучать процессы изменения прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий и после остывания, при различных схемах нагружения (в том числе при внецентренном сжатии).
Практическая ценность выполненной работы:
разработана адаптированная методика динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом повышенных температур;
возможность применения результатов исследования при разработке и совершенствовании норм и стандартов в рамках обеспечения функциональных характеристик строительных конструкций и конструктивной безопасности зданий и сооружений в случае прогрессирующего обрушения при огневых воздействиях.
Методологической основой диссертационного исследования послужили: труды отечественных и зарубежных авторов в области научных исследований железобетонных конструкций при разных условиях работы, гипотезы, принятые в строительной механике, теории упругости и пластичности, общепринятые методы статических и динамических расчетов железобетонных конструкций с учетом нелинейных свойств материалов.
Конкретное личное участие автора в полученных научных результатах заключается в постановке данного исследования, выборе объектов и методов исследования, разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, разработке программы экспериментальных испытаний, проведения экспериментальных исследований, получении результатов исследования, их обобщений и анализа, разработке адаптированной методики динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при и после огневых воздействий, расчете железобетонного каркаса при динамических воздействиях с учетом высоких температур.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «ДАКОР» при разработке рабочей документации и расчете несущих железобетонных конструкций 18-ти этажного монолитного жилого здания по адресу: г. Владимир, ул. Ставровская, д. 1.
Степень достоверности результатов и выводов диссертационной работы подтверждается применением: стандартных методов испытаний; современных методов исследования прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры; достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих адекватность и воспроизводимость результатов. Результаты динамического расчета сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания по разработанной методике были основаны на коэффициенте динамического упрочнения, значения которого получены экспериментальным путем. Результаты расчетов железобетонных конструкций основываются: на базовых теориях железобетона; положениях динамики упругопластических систем; на идентичности результатов аналитических и численных методов; на тестовых примерах. Выводы и результаты работы получили положительную оценку и были внедрены в строительную практику.
Положения, выносимые на защиту:
-
результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при статических и динамических нагружениях при огневых воздействиях;
-
зависимость коэффициентов динамического упрочнения бетона и арматуры от температуры;
-
методика динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом прочностных и деформативных свойств материалов при огневых воздействиях и после остывания;
-
результаты динамических расчетов сжатых железобетонных элементов-колонн при огневых воздействиях и после остывания с использованием разработанной программы ЭВМ;
-
результаты нелинейных статических и динамических расчетов многоэтажного железобетонного каркасного здания с учетом изменения прочностных и деформативных свойств центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов в условиях огневых воздействий.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013); Международном научном семинаре 19-20 сентября «Перспективы развития программных комплексов для расчета несущих систем зданий и сооружений» (Курск, 2013); Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова, «Современные проблемы расчета и проектирования железобетонных конструкций многоэтажных зданий» (Москва, 2013); XVII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014); III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон -взгляд в будущее» (Москва, 2014); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2014); I Брянском международном молодежном форуме «Инновации в строительной индустрии» (Брянск, 2014); XVIII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2015); VI международной научной конференции «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность» (Москва, 2015).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре кафедры Железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (Москва, 2015).
Публикация работы. Материалы диссертации изложены в 16 опубликованных работах, из них 4 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и одна статья в журнале, включенного в базу данных и систем цитирования Scopus, в том числе одно Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2015615847).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 134 наименований, в том числе 36
Анализ исследований работы железобетонных конструкций, работающих при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий и после остывания
Оценка огнестойкости строительных конструкций относится к сложным комплексным задачам, решение которых находится на стыке фундаментальных научных дисциплин как теория тепло-массопереноса, физика прочности и разрушения твердых тел. Поэтому для разработки инженерных решений потребовались усилия нескольких поколений ведущих специалистов в области пожарной безопасности зданий и сооружений, в том числе: Бушев В.П. [9], Олимпиев В.Г. [48], ПчелинцевВ.А. [9,58,59], Федоренко B.C. [9], Панюков Э.Ф. [49], Романенков И.Г. [66], Сегалов А.Е. [68], Соломонов В.В. (НИИЖБ) [44], Ройтман В.М. [22,65], Тамразян А.Г. [22,74,76-79], Федоров B.C. [95].
Проблема расчета железобетонных сооружений с учетом температуры состоит в разработке методов, учитывающих нелинейность деформирования железобетона с учетом изменения физико-механических свойств бетона и арматуры в зависимости от времени температурного воздействия.
Анализ исследований динамической работы бетона и арматуры в нормальных условиях и в условиях высокотемпературного нагрева
Поведение бетона при динамическом воздействии может быть различным: он может разрушиться по мере возрастания нагрузки и при спаде ее, но может выдержать динамическую нагрузку, не разрушаясь. Если эта нагрузка весьма кратковременна, то она может превысить статическую разрушающую нагрузку, но не разрушить образец. Время, в течение которого бетон может выдержать такую динамическую нагрузку, обычно составляет доли секунды или несколько секунд и зависит от степени перегрузки. Если за это время нагрузка не уменьшится, то бетон разрушится.
Главным критерием, определяющим поведение бетона при динамическом нагружении, служит коэффициент динамического упрочнения Кд, т.е. отношение прочности бетона при динамическом нагружении к статической прочности. Этот критерий зависит от скорости динамического нагружения, структуры бетона и других факторов.
Для объяснения поведения бетона при различных режимах динамического нагружения прежде всего необходимо знать его свойства при однократном динамическом нагружении. В настоящее время на основе проведенных исследований можно высказать ряд гипотез и развить некоторые элементы теории, объясняющие причины разрушения бетона при динамическом нагружении и особенности его поведения, например, эффект повышения предела прочности с увеличением скорости нагружения и эффект задержки разрушения.
Анализируя экспериментальные исследования, посвященные динамической работе бетона, приходим к следующей характеристике динамического разрушения: с повышением скорости нагружения процессы релаксации напряжений (возникающие при статическом нагружении) в местах их концентрации и изменение вторичного поля напряжений не успевают протекать в полном объеме, т.к. в бетоне создается более неравномерное поле напряжений. Чем выше скорость нагружения, тем больше эта неравномерность, отдельные участки бетона оказываются сильно перенапряженными. В этих условиях возрастает роль первоначальной дефектности структуры. Бетон разрушается более хрупко, часто с резким звуком и разлетом отдельных кусков и частиц. Это вызывается тем, что при разрушении бетона нет сплошного объемного разрушения материала, а разрушаются объемы более слабые или более перенапряженные. Соседние участки, сохраняющие свою сплошность (например, зерна песка, заполнителя и т.д.), к моменту разрушения аккумулируют значительную энергию, которая освобождается при разрыве бетона, и вследствие резкого расширения сохранившихся объемов они разлетаются в разные стороны.
Прочность и другие свойства бетона изменяются в зависимости от быстроты процесса нагружения. При расчете конструкций на динамическое воздействие следует применять зависимость прочности бетона от времени нагружения, т. е. от продолжительности возрастания нагрузки от нуля до максимальной разрушающей, или зависимость прочности от скорости роста напряжений или деформаций. Последние точнее характеризуют процесс разрушения бетона. Однако для практических расчетов первая более удобна, так как в ряде случаев известно лишь время действия нагрузки, и тогда требуются дополнительные расчеты, чтобы определить скорость возрастания напряжений и деформаций в конструкциях.
С определенной степенью приближения можно также полагать, что при этом режиме в большинстве случаев происходит плавное возрастание деформаций (особенно при высоких скоростях нагружения, когда увеличивается доля упругой деформации). Наблюдающиеся иногда в опытах некоторое замедление роста деформаций в начале и ускорение в конце процесса не может существенно повлиять на прочность бетона, так как для этого необходимы более заметные изменения скорости деформации. Поэтому определить ориентировочную скорость деформирования можно деля величину предельной деформаций на величину времени нагружения.
Результаты статической и динамической прочности бетонных кубиков и призм в нормальных условиях и после температурного нагрева
Для определения значения пораженной зоны короткой стороны влияние длинной стороны не принимается во внимание, для того чтобы поперечное сечение колонны стало эквивалентной стеной (см. рис. 1.11, б)). Предполагается, что толщина стены составляет 2z, а центр стены обозначен точкой М, расположенной в любом месте вдоль осевой линии стены.
При расчете несущей способности бетонных и железобетонных конструкций следует учитывать изменение механических свойств бетона и арматуры в зависимости от их температуры, определенной теплотехническим расчетом; возможное изменение расчетной схемы предельного равновесия вследствие температурных деформаций самой конструкции. Расчетные сопротивления сжатию и растяжению бетона Ъи и ш и арматуры bsu и ш для расчета огнестойкости определяются путем умножения соответственно на коэффициенты Гы и rst. При этом нормативные сопротивления арматуры сжатию при наличии сцепления арматуры с бетоном принимаются равными соответствующим нормативным сопротивлениям арматуры растяжению, но не более 450 МПа.
Модули упругости бетона и арматуры принимаются по СНиП 2.03.01-84 и умножаются соответственно на коэффициенты "ы и "st учитывающие снижение модуля упругости при нагреве. Анализ существующих методов расчета железобетонных конструкций на прогрессирующее обрушение
Прогрессирующее обрушение [102,105,128] - распространение местных повреждений от инициирующих событий, от элемента к элементу, приводящего к разрушению всего здания или непропорционально значительной части, также известное как "непропорциональное разрушение". потеря стойкости элементов конструкций, приводящее к разрушению всего здания Многие определения прогрессирующего обрушения заключают в себе эффект "карточного дома", в результате чего повреждение распространяется за пределы локальной области, до степени непропорциональной (несоразмерной) к первоначальной причине (некоторые непредвиденные нагрузки). Разрушение считается локальным, если оно составляет до 15% или до 20% от всей площади пола или крыши.
Исследованиям поведения зданий при прогрессирующем обрушении посвящены работы Алмазова В.О. [2,3,4], Гениева Г.А. [12], Граника Ю.Г.[15], Клюевой Н.В. [27,28], Кодыша Э.Н. [29], Колчунова В.И. [30], Мамина А.Н. [39, 41], Мутока Кяло [46], Перельмутера А.В. [50], Плотникова А.И. [52], Расторгуева Б.С. [61], Тамразяна А.Г. [85,88], Травуша В.И. [92], Hongyu Wanga nYoupo Sub, Qingshen Zengc [112], Kim H. [114], Leslaw Kwasniewski [117], Li Yi и Lu Xingzheng [120], Marjanishvili SM. [124], Salema H.M., El-Foulyb A.K., Tagel-Dinb H.S. [129].
Исследования передачи нагрузки после прогрессирующего обрушения позволяют выделить три стадии развития (см. рис. 1.14). a) перемещения
В 1-ой стадии, непосредственно после удаления колонны, происходит увеличение вертикальной нагрузки, характеризующееся коэффициентом динамичности по нагрузке [3], которая приводит к сокращению сжатой зоны элементов, одновременно увеличивая усилия в растянутой зоне. Во 2-ой стадии происходит образование пластического шарнира - упругопластическая стадия. В 3-ей стадии вертикальные перемещения в верхнем узле удаленной колонны достигают максимальных значений, конструкция сопротивляется вертикальной динамической нагрузке образовавшимися цепными силами (см рис. 1.14, в)). При расчете конструкции в нелинейной динамической постановке в случае образования пластического шарнира (см. рис. 1.15) делается повторный расчет до достижения удовлетворительной прочности конструкции.
Когда происходит прогрессирующее обрушение после отказа первого ключевого элемента, другие конструктивные элементы получают различные уровни повреждений, некоторые из них могут достигать аварийного состояния.
Для определения разрушения поврежденного элемента индекс повреждения следует принять как указатель повреждения. В литературе индексы повреждений были предложены как для бетонных, так и для металлических элементов. Colombo и Negro [100] предложили обобщенный индекс повреждения, который может быть использован независимо от типа материала конструкции.
Так как индекс повреждения используется для оценки ущерба рамных конструкций при анализе на прогрессирующее обрушение, динамические эффекты из-за внезапного разрушения структурных элементов и необычно большие деформации преимущественно больше будут влиять на уровень повреждения конструкций, чем суммарный ущерб от циклической неупругой деформации. Поэтому оценка ущерба конструкции от прогрессирующего обрушения основывается на функции деформирования элементов.
Аналитический расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на динамически нарастающую нагрузку по деформированной схеме
Существенным недостатком этого метода является тот факт, что, рассматривая деформирование конструкции в упругой и пластической стадиях, деформации в упругой стадии учитываются условным углом раскрытия в шарнире пластичности, который мог бы образоваться при деформировании элемента по пластической схеме.
Исследования показывают, что нормировать предельное состояния 16 внецентренно сжатых железобетонных элементов более удобно по раскрытию угла пластического шарнира.
Условие прочности конструкции (при образовании в ней п шарниров пластичности) принимает вид:
Здесь (// и y/iu, пластические углы раскрытия в і-ом шарнире пластичности, полученные из динамического расчета в пластической стадии. Аналитический метод определения предельного угла раскрытия изложен в работах Забегаева А.В. [21,22], Плотникова А.И. [51], Попова Н.Н. [54,55], Расторгуева Б.С. [61,62]. Методика определения величины « для различных конструкций разная в зависимости от предельных деформаций бетона и длины пластической зоны.
Достижение напряжениями предельного состояния еще не приводит к полному разрушению материала, поскольку поведение бетона и арматуры под нагрузкой характеризуется пластическими деформациями. После достижения предельного состояния материал элемента способен воспринимать часть нагрузки и деформироваться до тех пор, пока деформации не достигнут предельного значения, после чего происходит полное выключение из работы конструкции.
Поэтому в качестве критерия разрушения железобетонного элемента целесообразней принимать предельные деформации бетона при сжатии и растяжении єви, єви4 и арматуры ssud. Предельное значение пластического угла раскрытия в шарнире пластичности [58] для внецентренно сжатых и сжато-изогнутых элементов определяется по формуле: где єви - предельная деформация краевого волокна бетона сжатой зоны, зависящая от ряда факторов, в том числе от значения е0, для практических расчетов рекомендуется принимать seu = 320 10 5; %d - относительная высота сжатой зоны; СМ,СВ- коэффициенты, зависящие соответственно от формы эпюры моментов и класса бетона; N(t) во времени. Поскольку аналитически построенные диаграммы деформации (рис. 3.2) имеют криволинейное очертание, выразить одной общей функцией сложно, в дальнейшем будем использовать упрощенную диаграмму "M-1/r " в виде ломаной линии, состоящих из трех прямых 0-1-2-3 (диаграмма "а", рис. 3.2).
Принятый способ кусочно-линейной аппроксимации диаграмм деформаций вполне допустим для инженерных методов расчета конструкций. Проведенные экспериментальные исследования Пугачева В.И. [57] показали, что характер опытных диаграмм деформаций в условно-упругой стадии ближе к прямолинейному, что подтверждает справедливость принятого допущения.
Диаграммы «момент-кривизна» внецентренно сжатых элементов, армированных сталью класса А500 при различных эксцентриситетах: диаграмма "а" - е01; "Ь" - е02; "с" - е03; "d" - е04; е04 е0Ъ е02 - е01
Для построения диаграмм деформаций рассмотрим внецентренно сжатый элемент, нагруженный продольной силой N(t) с эксцентриситетом е0 и армированный сталью с физическим пределом текучести (класса А500), для которого выполняется условие:
Участок 0-1 (рис.3.2) характеризует работу элемента без трещин в растянутой зоне (стадия I), после образования в элементе трещин до достижения в арматуре предела текучести (точка 2) конструкция работает в упругопластической стадии (стадия II), и после достижения текучести в арматуре до начала разрушения бетона сжатой зоны (ae=Re) (точка 3) конструкция работает в пластической стадии.
Если выполняется условие: brf? (3.10) то происходит хрупкое разрушение конструкции при достижении предельных деформаций бетона сжатой зоны и отсутствии пластических деформаций в растянутой арматуре. Диаграмма деформаций таких элементов не имеет пластического участка и соответствует случаю хрупкого разрушения (рис.3.2, диаграмма "d ").
Для построения диаграмм «M-1/r», необходимо найти значения изгибающих моментов и кривизны, характеризующих напряженное состояние элемента в соответствующей стадии, а также значения жесткостеи для каждой стадии работы конструкции.
В частном случае предельное состояние 16 нормируется, исходя из условия: где f - прогиб конструкции, полученный из динамического расчета элемента; J л - упругий прогиб конструкции; и- прогиб конструкции, при котором наступает предельное состояние, значение и определяется из эксперимента или расчета. При расчете в пластической стадии конструкция представляется в виде механизма, состоящего из двух жестких дисков, соединенных шарниром пластичности. Начальными условиями для пластической стадии являются результаты расчета элемента в упругой стадии.
При разработке метода динамического расчета конструкции необходимо выбрать определенный закон изменения динамической нагрузки от времени, который зависит от конкретных условий нагружения и в расчетах обычно заменяется различными обобщенными зависимостями, для практических методов расчета все законы изменения нагрузки обычно сводятся к двум видам: нагружению с вертикальным фронтом и постепенно нарастающей динамической нагрузке в продольном и в поперечном направлении.
Поскольку инженерный метод динамического расчета (расчет по недеформированной схеме) непосредственно не учитывает влияние продольного изгиба колонн на усилия и перемещения, за основу разработки методики расчета принят более точный метод расчета - расчет по деформированной схеме, который не только позволяет выявить истинную величину резерва несущей способности, но и в некоторых случаях дает возможность сэкономить материалы.
Аналитический расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на динамическую нарастающую нагрузку по деформированной схеме
Динамическое нагружение на конструкции может быть различным в зависимости от характера его временной зависимости. Прежде чем исследовать поведение конструкции при динамических нагружениях нужно понять характер приложения нагрузки. Для разработки методики расчета были приняты 2 вида динамических нагружений, изменяющихся во времени по следующим законам:
Нелинейный статический расчет железобетонного многоэтажного каркаса в нормальных условиях и в условиях огневых воздействий
Нелинейный динамический анализ позволяет построить график, показывающий изменение действующей расчетной нагрузки в колоннах в результате прогрессирующего обрушения. Как пример рассмотрены колонны первого этажа по координатам 1-В и 1- С. На рисунке 4.16 приведена кривая изменения действующей нагрузки на колонны при нелинейном динамическом анализе. Анализ коэффициента динамичности по нагрузке на колонны по координатам 1-В и 1-D показывает максимальное значение, равное Kdv=\,2S5, на колонну по координате (1-С) - Kd = 1,336. -10000 - Qnnn 8000 - x "7000 І — Ф динамическая
Изменение расчетных нагрузок во времени для колонн 1-В и 1-С
Нелинейный динамический анализ железобетонного каркаса при прогрессирующем обрушении позволяет построить график, показывающий максимальное вертикальное перемещение по оси удаляемой колонны для разных этажей.
Время, сек. Рисунок 4.17. Максимальные вертикальные перемещения рамы 1 Анализ возникающих перемещений в точке над удаленной колонной при прогрессирующем обрушении в нормальных условиях показывает, что максимальное перемещение узловых точек 1-го и 2-го этажей равно 0,02см, в 24 и 25 этажах они равны 0,027см. На рис. 4.18 а) и б) приведены эпюра вертикальных нагрузок при прогрессирующем обрушении и состояние пластических шарниров.
Ведется нелинейный динамический расчет железобетонного каркаса при прогрессирующем обрушении при воздействии температуры на несущие элементы каркаса. В таблицах приведены результаты нелинейного динамического анализа здания при температуре Т = 500С. Ячейки с расчетными значениями действующих нагрузок и моментов на колонны и ригели, которые обозначены красным цветом, представляют с собой значения тех элементов, которые подвержены огневому воздействию. Расчетные динамические величины осевых нагрузок и действующих моментов приведены в табл.(4.16 ч- 4.19).
Численный нелинейный динамический анализ железобетонного каркаса показывает, что максимальное значение коэффициента КОКЯпих=1,6 для железобетонных колонн, который соответствует раскрытию пластического шарнира до стадии LS (см. рис. 4.19), возникает, при динамической нагрузке 6 783кН.
Зависимость динамической нагрузки на колонны, подверженных огневому воздействию в зависимости от времени, показана на рис. 4.20. Анализ графика с учетом величины статической нагрузки при 500С показывает, что коэффициент динамичности по нагрузке уменьшается при повышении температуры пожара для тех элементов, которые подвергаются огневому воздействию. Для колонн с координатами 1-В и 1-D коэффициент динамичности уменьшается от Kd= 1,285 до Kd= 1,254. Это объясняется диссипацией нагрузок при изменении жесткостных характеристик элементов здания. Огневые воздействия, которые ведут за собой снижение жесткости несущих элементов каркаса согласно работе здания по методу альтернативных путей (Alternate Path Method), приводят к перераспределению возникающих дополнительных нагрузок и моментов. Тем самым, коэффициент динамичности по нагрузке для элементов, которые работают при огневых воздействиях, будет отличаться от коэффициента для тех элементов, которые не подвержены огню.
Максимальные вертикальные перемещения (рама 1) при температуре 500 С Согласно расчета динамического сопротивления железобетонных элементов при огневых воздействиях динамическая разрушающая нагрузка железобетонных колонн при температуре Т = 900 С снижается на 77%. В результате численного нелинейного динамического анализа железобетонного каркаса коэффициент KDRR]mx =2,\6, что свидетельствует о разрушении элементов, подверженных огневым воздействиям (см. табл. 4.22-=-4.25).
В результате нелинейных статических и динамических расчетов 25-этажного железобетонного каркаса при разных температурах пожара были посчитаны величины коэффициента KDRR, максимальные значения которого для ригелей и колонн приведены в таблицах 4.23 и 4.24.
Нелинейный динамический расчет железобетонного каркаса при Т = 900 С показывает, что выход из строя колонн первого этажа (KDRRmax = 2,16) приводит к прогрессирующему обрушению всего здания, поскольку происходит превышение приемлемых критериев максимальных углов поворота шарниров колонн, балок, В таблице 4.25 приведены сравнительные характеристики колебаний железобетонного 25-этажного здания в нормальных,65 0,50 0,53 25-ый этаж 0,34 0,42 0,55 0,36 0,42 условиях и в условиях огневых воздействий.