Кудерин М.К.

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова,

г. Павлодар, Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ НА ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ НАГРУЗОК

В последние годы все более возрастает интерес гражданских инженеров к проблеме сопротивления железобетонных конструкций к высокоинтенсивным ударным воздействиям. Это обусловлено увеличением числа исключительно дорогостоящих объектов, случайные удары по которым выводят их из строя, часто без возможности восстановления. Это увеличение числа случаев ударных воздействий, связанных с различными авариями на производстве и в результате террористических акции в жилых и общественных зданиях (падение тяжелых грузов на перекрытия зданий и сооружений, удары транспортных средств в опоры путепроводов и эстакад и.т.п.). Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что ущерб от подобных воздействий исчисляется десятками миллионов долларов. О возрастающем интересе исследователей к рассматриваемой проблеме свидетельствует ряд проведенных в России в последнее время Международных научных конференций и симпозиумов на тему «Предотвращение аварий зданий и сооружений».

В проведенных исследованиях можно выделить следующие основные направления: определение характеристик случайных ударных нагрузок и их классификация; изучение особенностей поведения бетона, арматуры и железобетона при высокоинтенсивных ударных воздействиях; местное поведение железобетона в зоне контакта с ударяющим телом; общее поведение конструкций при ударных воздействиях.

К существующей классификации случайных ударных воздействий по виду возникающей реакции «нагрузка-время» был введен параметр, зависящий от скорости ударяющего тела, массы и прочности конструкций, позволяющий подразделить удары на «мягкие», «промежуточной мягкости» и «резкие». Имеется ряд предложений по уточнению идеализированной диаграммы «нагрузка-время», учитывающих скорость и угол падения. Предложены стохастические подходы к проблеме расчета на случайные воздействия. Вместе с тем проблема определения параметров, классификация случайных ударных нагрузок и изучение поведения бетона, арматуры и железобетона при быстрых нагружениях требует в настоящее время более детального исследования. Эта проблема является общей при расчете как на ударные, так и на импульсивные воздействия. Основная цель экспериментальных исследований бетона – получение данных для разработки математических моделей, используемых затем в расчетах конструкций численными методами.

Автором проведен ряд натурных испытаний железобетонных плит, опертых по контуру, В соответствии с поставленными задачами в качестве исследуемых образцов были приняты железобетонные плиты сплошного сечения. Плиты всех серий имели прямоугольное сечение с размерами а х b х h = (100х100х3)см; (100х100х5)см; (100х150х3)см и (100х150х5)см. Армирование сетчатое с шагом u = u₁ в обоих направлениях. Удар осуществлялся цилиндрическими снарядами различной массы и диаметра. Поведение железобетона в зоне контакта зависит от типа ударника-снаряда и его формы, характера армирования, класса бетона и.т.п. Рассматривались вопросы общего деформирования плит, проникания ударника в плиту, явления откола и пробивания. Поведение растянутого бетона при ударе имеет существенное значение, так как возникающие волны сжатия, отражаясь от нижней грани конструкций, превращаются в волны растяжения, вызывающие, например, явления откола в плитах. На основе экспериментов разработаны теоретические модели для этих случаев. Теоретические модели, описывающие поведение бетона в зоне контакта при резких ударах, базируются, главным образом, на статическом законе Герца.

Классификация схем разрушения. На основании экспериментальных исследований получены четыре схемы разрушения железобетонных плит при действии ударной нагрузки (Рисунок 1)

Рисунок 1. Схемы разрушения железобетонных плит.

Проникание () можно определить, как вход тела (ударника) в мишень (плиту) без сквозного проникания последней.

Откол () – это разрушение под действием растягивающих напряжений, возникающих при отражении волн сжатия от тыльной поверхности плиты. После появления откола образец практически разрушен, так как при этом обнажается арматура (рисунки 2 а,б). Да и сама откольная пробка является "снарядом", который в свою очередь может нанести повреждения, то есть являться вторичным ударником. Для ударников большого диаметра откол вызывается меньшим прониканием. Это объясняется тем, что ударник сравнительно большого диаметра, с малым отношением , создаёт распространенный по значительной площади в плане удар, вызывающий откол вследствие ударных волн сжатия от нижней поверхности плиты. В то же время проникание в силу большой площади невелико. По мере уменьшения диаметра ударника, удар становится более концентрированным и может вызвать откол за счёт движения конической пробки, обусловленной срезом бетона, которая выбивается из плиты (рисунок 2, в).

В противоположность прониканию () при пробивании () ударник насквозь проходит плиту (рисунок 2 в). Это имеет место лишь в случае очень больших скоростей импульса или чрезвычайно тонких плит.

На рисунке 2а,в показан вид откольной пробки при нагружении плиты ударником =50мм. Разрушение происходило от среза по боковой поверхности усечённого конуса, диаметр верхнего основания которого равнялся диаметру ударника. При этом между нормалью к поверхности и образующей боковой поверхности конуса в зоне приложения нагрузки составлял < 45.

При общем деформировании плит наблюдается общий прогиб плиты без проникания, откола и пробивания (рисунок 3). При этом наблюдается образование радиальных и круговых трещин. Анализируя картину трещинообразования при общем деформировании можно отметить следующее: процесс появления и раскрытия трещин при нанесении ударов у плит сопровождается нарастанием остаточных прогибов. Видимые трещины с шириной раскрытия 0,1…0,2 мм появляются на нижней поверхности плиты, как правило, после первого удара ударником весом 6,7 кг с высоты 2,4 м или ударником весом 8 кг с высоты 0,6 м в зависимости от . По мере дальнейшего нанесения ударов происходит значительное увеличение числа трещин и ширины их раскрытия. Трещины расходятся радиально от центра удара. Полное разрушение всех плит имело место либо по периметру индентера, либо на некотором расстоянии от него после развития классического механизма с пластическими шарнирами. Повышение несущей способности за пределом упругости плит объясняется за счёт мембранного эффекта. Большое повышение несущей способности отмечено в плитах с содержанием арматуры (μ = 0,6%) и определяется продавливанием с механизмом «веерного» типа.

Нижняя поверхность плиты П1-3-6 откольная пробка

Верхняя поверхность плиты П1-5-3, нижняя поверхность плиты П1-5-3

в

Нижняя поверхность плиты ЗП1-5-3; откольная пробка

Рисунок 2 – Разрушения железобетонных плит (откол, пробивание)

Рисунок 3 – Общее деформирование плит

На основании проведённых испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Проведенные испытания плит показали, что параметр их разрушения зависит, главным образом, от начальной скорости удара и соотношения .

2. В отличие от высокоскоростных ударов, при низкоскоростных выбивается бетонная пробка, имеющая форму усечённого конуса.

3. Увеличение диаметра ударника при тех же , , переводит характер разрушения из разряда пробивания в разряд откола.

Дальнейшее увеличение диаметра ударника переводит характер разрушения из местного в общий.

4. Увеличение при неизменных остальных параметрах может привести к изменению характера разрушения, например, от общего к местному (отколу).

5. В качестве предельного состояния по прочности при местном действии удара рассматривается откол.

6. Резкое возрастание значений деформации наблюдается около площадки контакта, причём величины деформации в кольцевом направлении в 2-3 раза меньше значений радиальных деформаций.

Зона распространения максимальных деформаций составляет 2-2,5 диаметра ударника.

7. При общем деформировании плит разрушение наступало либо вследствие образования “веерной” схемы, либо обычного общего механизма, в котором радиальные пластические шарниры расходятся от точки приложения до краёв плиты.