Испытание физической модели шатрового перекрытия

Шатровые перекрытия под тяжёлые нагрузки существенно отличались по конструкции и способу их сборки от омского варианта. Впервые они были применены в Ленинграде на строительстве завода по производству тяжёлой теплотехнической арматуры. Главный корпус завода - трёхпролетный двухэтажный с раскрытым вторым этажом на (рис. 4.4). Все несущие конструкции сборные железобетонные. Над первым этажом и частично над вторым перекрытия шатровые.

Рис. 4.4. Поперечный разрез корпуса № 101 завода им. Лепсе в Ленинграде с шатровыми перекрытиями под тяжёлую нагрузку:

1 - железобетонные колоны; 2 - шатровые оболочки

Общий вид отдельной ячейки шатрового перекрытия, образующие её сборные элементы показаны на рис. 4.5. Контурные балки 1 сдвоенные, свободно опертые на капители колон. Каждый сборный шатёр по периметру опирается на свои собственные четыре контурные балки. Сборку шатра начинают с установки четырёх угловых двухгранных блоков 2, которые временно с помощью оттяжек (на рисунке не показаны) крепятся к колоннам. Затем устанавливают плиты наклонных граней 3 и замоноличивают все швы между плитами и контурными балками. На завершающем этапе сборки, после твердения монолитного бетона, укладывают средние плиты шатра 4, плиты над ложбинами 5 и над зазорами между контурными балками по периметру 6. Как видим, при такой конструкции отпадает необходимость в применении громоздких монтажных кондукторов.

Оба варианта шатровых перекрытий, показанные выше, отличаются от известных аналогов наличием мощных балок, располагаемых в пределах строительной высоты перекрытия по контуру каждой шатровой оболочки. Оказалось, что эта особенность существенно изменяет характер деформаций всего перекрытия в целом и распределение усилий между элементами по сравнению с известными складчатыми конструкциями перекрытий. В качестве объекта для изучения действительной работы новых шатровых перекрытий был принят вариант, показанный на рис. 4.5.

Специально для исследовательских целей был разработан экспериментальный проект одной ячейки шатрового перекрытия размером 12x17 м под расчётную нагрузку 36 кН на 1 м². Он послужил прототипом для изготовления физической модели и нескольких вариантов численных математических аналогов. Предварительный статический расчёт прототипа выполнили с использованием программы ЛИРА на базе схемы в КЭ, сформированной по традиционной технологии. Рабочую продольную арматуру в контурных балках определили в соответствии с рекомендациями по проектированию пространственных железобетонных конструкций.

Рис. 4.5. Конструкция и детали шатрового перекрытия под тяжёлые нагрузки:

1 - контурные балки; 2 - угловые двухгранные плиты; 3 - 4 плоские ребристые плиты граней шатровой оболочки; 5 - плиты настила над ложбинами; 6 - плиты перекрытия зазора между контурными балками

Железобетонная модель, как и прототип, была собрана из отдельных элементов и представляла собой физически и конструктивно его копию, выполненную в масштабе т_l =1:6. Детали модели были изготовлены из пескобетона, состав которого определялся главным образом из условия прочности, близкой к прототипу. Арматуру подбирали из условий соблюдения индикаторов подобия (4.26) и (4.27). Интенсивность испытательной равномерно распределенной поверхностной нагрузки на модель вычислялась согласно формулам (4.8), что при Е_µ = Е_n означает равенство q_ом = q_оП.

Несложно заметить, что применительно к железобетонным конструкциям формулы (4.8) должны рассматриваться как приближённые, так как не учитывают неупругие свойства железобетона.

Сборка модели из отдельных элементов производилась на шаблон-кондукторе; между собой элементы соединялись через закладные детали, после чего производилось замоноличивание швов между плитами таким же пескобетоном. Для нагружения модели был изготовлен специальный гидравлический стенд в виде сварной рамы из швеллеров с дощатым настилом (рис. 4.6).

Стенки и днище стенда образовали короб размером в плане 2000x2000 мм, соответствующим размеру испытываемой модели. На днище, внутри короба, находился резиновый мешок-камера в форме параллелепипеда, из которого выходили штуцера на узел управления подачей и сливом воды и контролем давления внутри гидрокамеры.

Модель в собранном виде укладывалась на гидрокамеру, частично заполненную водой, и располагалась на ней в перевёрнутом положении. После этого по углам свободно насаживались специальные шарнирные опоры, их положение фиксировалось стопорными гайками.

Испытание модели в перевернутом положении и необходимость в специальном гидравлическом стенде диктовались несколькими соображениями. Во-первых, это большая ожидаемая разрушающая нагрузка, которая была принята равной 100 кН/м², так как более точно спрогнозировать её было невозможно.

Легко высчитать, что при испытании в рабочем положении на модель надо было бы «взгромоздить» 40 тонн балласта сверху, а приборы разместить и вести наблюдения снизу, находясь под моделью. Этот вариант был неприемлем. Во-вторых, условия работы для персонала, ведущего испытания, должны быть комфортными и безопасными. Всем этим условиям удовлетворял изготовленный силовой стенд.

Комфортные условия заключались в том, что все индикаторы вертикальных перемещений размещались не снизу под моделью, а сверху, были доступны и хорошо просматривались. Кроме того, процесс образования и развития трещин происходил на доступной, хорошо просматриваемой поверхности самой шатровой оболочки. И, наконец, для получения прогнозируемой нагрузки 100 кН/м² достаточно было создать в гидрокамере избыточное давление всего в одну атмосферу, т. е. 1 кгс на 1 см², что обеспечивалось давлением воды в водопроводе.

Рис. 4.6. Схема гидравлического испытательного стенда и модели:

1 - силовая рама из швеллеров; 2 - гидрокамера;

3 - манометр; 4 - вентиль; 5 - модель шатровой оболочки в перевернутом положении; 6 - съёмные шаровые опоры;

7 – гайки

Для измерения линейных перемещений использовались многооборотные прогибомеры системы ЦНИИСК и индикаторы часового типа ИЧ; фибровые деформации на поверхности бетона и в арматуре измерялись электротензометрическим методом с помощью автоматических тензометрических комплексов ТК-2 Давление воды в гидросистеме - нагрузка на модель - контролировалось с помощью манометров.

Работа модели под нагрузкой была изучена на всех стадиях деформирования, вплоть до разрушения. Разрушение выразилось в раздроблении бетона угловых плит шатровой оболочки, таким образом, было выявлено одно из возможных (в общем-то известное) предельных состояний по прочности. Большую информацию о напряжённо-деформированном состоянии модели в стадии предельного равновесия дала общая картина трещин на поверхности складчатой оболочки и контурных балок (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Характер разрушения и картина трещин на нижней поверхности модели шатровой складчатой оболочки

Её изучение и анализ позволили решить ряд практических задач, связанных с расчётом и проектированием аналогичных по конструкции железобетонных шатровых перекрытий.

В общих чертах сущность решенных задач и их практическая значимость заключаются в следующем. Была предложена «гибкая» кинематическая схема пластического механизма шатрового перекрытия в стадии излома; на основании этой схемы получены аналитические зависимости, характеризующие состояние конструкции в стадии предельного равновесия. «Гибкость» кинематической схемы заключалась в том, что она оказалась одинаково пригодной для расчёта на прочность не только данного конкретного прототипа, но и целого ряда других аналогичных конструкций с различными геометрическими параметрами и соотношениями жесткостей элементов.

Расчёт модели численным методом выполнялся с помощью стандартной программы ЛИРА, которая, как известно, реализует МКЭ в упругой формулировке. В стадии работы с трещинами модель уже не являлась упругой системой. Поэтому расчёт был выполнен при двух разных схемах разделения модели на конечные элементы.

В задаче ШАТЕР-1 разделение производилось по традиционной методике исходя из удобства формального опи-сания модели, нагрузки, жёсткостей и расшифровки результатов счета. В задаче ШАТЕР-2 было, по возможности, частично учтено разделение модели на элементы трещинами, можно сказать, «естественная дискретизация», при этом в расчёт вводилась рабочая арматура в роли КЭ-связей между КЭ-пластинками и стержнями. Сравнение результатов расчёта с опытными данными оказалось в пользу схемы ШАТЕР-2. Эти и другие результаты испытания модели были использованы при доработке проекта натурной конструкции шатровых перекрытий.

В заключение отметим, что научные и практические результаты испытания физической модели и её численных аналогов, о которых сказано выше, приведены как пример конкретных задач, которые могут быть поставлены и решены методом моделирования.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое моделирование? В каких случаях и с какой целью обращаются к моделированию строительных конструкций?

2. В чем сущность методов моделирования: математического, физического и механического? На каких принципах подобия они базируются?

3. Какие деформируемые системы являются подобными в механическом смысле? Какие вопросы изучает теория механического подобия?

4. Назовите условия простого механического подобия. Как эти условия выражаются математически?

5. Назовите и поясните основные условия простого механического подобия упругих систем.

6. В чем сущность расширенного механического подобия? В каких случаях его применяют? Приведите простейшие примеры расширенного подобия.

7. Охарактеризуйте принципиальные отличия моделирования железобетонных конструкций по сравнению с упругими. Назовите основные задачи, решаемые с помощью моделирования.

8. С какой целью сочетают, как правило, механическое и численное моделирование железобетонных конструкций?