Експериментално изследване на бази на стоманени колони в реални размери

Инж. Станислав Райков, гл. ас. Огнян Ганчев, гл. ас. Димитър Данаилов, доц. Иван Дойков, доц. Николай Рангелов, УАСГ В настоящото изложение са представени резултатите, получени при експерименталното изследване на бази на стоманени колони, подложени на срязващи сили. Проведено е изпитване на четири експериментални образеца, които са с реални размери. Поемането на усилията в изследваното съединение става чрез работа на анкерните болтове. Описани са целите и задачите на експерименталната програма. Дадено е подробно описание на експерименталната постановка. Представени са резултатите от всички спомагателни тестове, които изясняват характеристиките на използваните материали. Резултатите от експерименталната програма са представени в графичен и табличен вид. В заключение са дадени основните изводи от получените резултати. Базите на колони са основно съединение в стоманените конструкции. Правилното им оразмеряване е от първостепенно значение за сигурността и надеждността на сградите и съоръженията със стоманен носещ скелет. В същото време експерименталното изследване на поведението на това съединение е силно ограничено и основно се състои в адаптиране на частни случаи или опростени модели към глобалното поведение на реалното съединение. Примери в това отношение са изследванията върху триенето между стоманени плочи и бетонни повърхности, както и експериментите, свързани с носимоспособността на анкери, разглеждани самостоятелно и основно насочени към връзката им с бетона. В този смисъл е необходимо провеждането на експерименти, които да са насочени към поведението на възела като цяло, които да дават информация за форми на разрушение, свързани с взаимодействието на всички компоненти на съединението. В настоящото експериментално изследване са проведени изпитвания на образци в реални размери. Разглежда се работата под натоварване на възела при поемане на срязващи сили чрез анкерните болтове. Проведени са четири теста, като във всеки един е променен някой от параметрите с цел получаване на сравнителна информация, която липсва в неголемия брой подобни изследвания. Основно внимание е отделено на значението на вида на натоварването – монотонно или циклично знакопроменливо, както и на вида и характеристиките на подливката на базата на стоманена колона. Цели и задачи на експерименталното изследване Основната цел на експерименталното изследване е да бъдат получени резултати, характеризиращи един от основните механизми за поемане на срязващи сили в бази на стоманени колони – работата на анкерните болтове на срязване и огъване. Няколко въпроса са важни в този аспект. Първо, необходимо е да се оцени влиянието на вида на натоварването върху поведението на съединението. Настоящите оразмерителни правила, залегнали в Еврокод, са резултат от аналитични и експериментални изследвания, третиращи само монотонно натоварени съединения. В сеизмични райони очевидно трябва да се има предвид и възможността от появата на нискоциклично натоварване, за което трябва да се оцени предложената в стандарта оразмерителна методика. Второ, трябва да се характеризира ефективната дължина на огъване на анкерните болтове, както и видът на деформираната им схема, с оглед правилно отчитане на появата на огъващи моменти и съответните нормални напрежения в тях при натоварване. Трето, трябва да се оцени влиянието върху начина на работа на анкерните болтове на носимоспособността и дуктилността на подливката. Този аспект от поведението на разглежданото съединение на практика не е целенасочено изследван досега. Използването на подливка с дуктилно поведение следва да бъде изследвано с оглед на постигане на по-добра носимоспособност и дуктилност на съединението като цяло. Описание на експерименталната постановка Научният проект включва изготвянето на 4 образеца с натурни размери, които са изпитани в лабораторията към катедра „Метални, дървени и пластмасови конструкции“ на УАСГ. На фиг. 1 е показан общият вид на експерименталната постановка, а на фиг. 2 – фрагменти от проектната документация на образците. Проектирани и изготвени са четири стоманобетонни фундамента с размери 400/1000/1000 mm. Те са изпълнени от бетон клас С25/30 и армирани с горна и долна армировка N12/140 mm от армировъчна стомана клас В500В. Заложени са в стоманени елементи, проектирани да пренесат възникващите при изпитването усилия до силовия под на лабораторията и анкерни болтове – 4 бр. Ø16 от стомана клас S235JR. Фундаментите са изпълнени монолитно в лабораторията, като бетонната смес е доставена готова от бетонов възел с цел максимална близост до реалната строителна практика. След набиране на якост на фундаментите в лабораторни условия са изпълнени подливките. За два от фундаментите те са от разтвор на цименто-пясъчна основа, фирмен продукт на DCP Ltd – Flo Grout 3 с прогнозна якост на натиск ≥60 MPa на 28-ия ден. За другите две подливки е използван същият разтвор, но дисперсно армиран със стоманени фибри, 1% по обем. Фибрите са с дължина 6 mm и диаметър 160 μm. Стройността им е λ = 37,5, опънната якост fu = 2200 MPa. Стоманените фибри са показани на фиг. 3. Веднага след изпълнението на подливките са монтирани базите на колоните – производствени марки А1, които лягат върху нивелачни гайки. Отворите в базовата плоча са уголемени и над тях се поставят и заваряват шайби от листова стомана, както е показано на фиг. 4. След набиране на якост на подливките образците последователно са изпитани чрез прилагане на предвиденото в експерименталната програма натоварване. То се прилага чрез хоризонтален актуатор и товарен протокол, при който се задава преместване и се отчита необходимата за реализацията му сила. Максималната сила на актуатора е 500 kN, а максималната, получена при експериментите – 224,5 kN. Преместванията на образеца се следят чрез индуктивни датчици за преместване. На всеки от болтовете са монтирани по 2 бр. електросъпротивителни тензодатчици за отчитане на напреженията им в границите на еластичните деформации. На фиг. 5 и фиг. 6 е показана изпълнената експериментална постановка – общ вид и разположение на индуктивните датчици. Спомагателни тестове Направени са 4 типа спомагателни теста, за да се получат реалните характеристики на материалите, използвани в експерименталната програма, в това число: 1. изпитване на опън на стандартни тестови образци от анкерните болтове; 2. изпитване на стандартни пробни тела (кубове) от стоманобетон за фундаментите; 3. изпитване на огъване на стандартни греди от циментовия разтвор за подливката; и 4. изпитване на натиск на парчетата от изпитаните в (3) образци. Анкерни болтове Изготвени са тестови образци от същата партида обла стомана Ø16, от която са произведени и анкерните болтове. Тестовите образци са с размери, съобразени с изискванията на (19). На фиг. 7 са показани производствен детайл на тестов образец и една от епруветките след провеждане на изпитването. Съгласно получения от производителя на стоманените елементи сертификат за качество на материалите, стоманата за анкерни болтове е с граница на провлачване fy = 321 MPa, якост на опън fu = 470 MPa и относително удължение при скъсване εu = 33%. Резултатите от изпитването на 4 бр. тестови образци са представени в таблица 1. Приетите характеристики на анкерните болтове са както следва: fy = 349 MPa, fu = 482 MPa, εu = 26%. Резултатите от образец 4 не са взети под внимание. Бетон за фундаменти От доставчика на стоманобетонната смес за фундаменти е представен протокол за изпитване на стандартни пробни тела в „Строителна изпитвателна лаборатория“. Получената средна стойност на якост на натиск от проведените изпитвания е fck,cube = 37,2 MPa, което съответства на бетон клас С30/37. Допълнително са проведени изпитвания на тестови образци, взети на място. В лабораторията към катедра „Строителни материали и изолации“ на УАСГ са изпитани 3 бр. стандартни пробни тела с размери 150/150/150 mm. Изпитването е проведено на възраст на бетона 28 дни и съгласно изискванията на (20). На фиг. 8 е показано изпитването на едно от пробните тела. Получената кубова якост е fc,mean = 43,7 MPa – по-висока от резултатите, получени при външните тестове. Високата стойност на якостта на натиск на бетона за фундаменти поставя и по-високи изисквания към характеристиките на циментовия разтвор, използван за подливките. При височина на подливката, равна или по-голяма от 50 mm (каквато е тази в експерименталната постановка), се поставя изискването якостта на подливката да е поне равна на тази на бетона за фундаменти. Характеристиките на материалите за подливки са дадени в следващата точка. Разтвор за подливки В експерименталната постановка е предвидено използването на два вида подливки – несъсъхващ циментов разтвор Flo Grout 3 за два от образците и същия разтвор, дисперсно армиран със стоманени фибри, 1% по обем – за другите два. От двата вида са взети по време на изпълнението на подливките по 9 стандартни пробни тела – призми с размери 40/40/160 mm. Изпитани са по 6 опитни образеца на огъване и натиск, като резултатите са обобщени в таблица 2. Резултати от експерименталната програма Тази точка съдържа основната информация, получена от експерименталната програма. Последователно са представени резултатите от четирите експеримента, като за всеки един са дадени товарният протокол, получената зависимост сила – преместване (F – Δ), както и снимков материал от състоянието на тестовия образец след достигане на граничното му състояние – при някои от експериментите това е разрушението на подливката, докато при други – скъсването на анкерните болтове. Тест 1 – модел №2 При този тест подливката е неармирана, а приложеното натоварване е циклично знакопроменливо. Тест 2 – модел №1 При този тест подливката е дисперсно армирана, а приложеното натоварване е циклично знакопроменливо. Сравнението между получените резултати от тест 1 и тест 2 показва голямото влияние на носимоспособността и дуктилността на подливката върху поведението на съединението при циклично знакопроменливо натоварване. При тест 2 са постигнати близо 30% повече цикли на натоварването, както и над 60% по-висока максимална носимоспособност на съединението на срязване. Тест 3 – модел №3 При този тест подливката е неармирана, а натоварването е монотонно. Тест 4 – модел №4 При този тест подливката е дисперсно армирана, а натоварването е монотонно. Резултатите от тестове 3 и 4 показват сравнително по-малко влияние на характеристиките на подливката върху поведението на съединението при монотонно натоварване. Максималното преместване се различава с 10%, а максималната носимоспособност – с 23%. Обобщение и изводи Настоящите методи и формули за оразмеряването на бази на колони за поемане на срязващите сили чрез работа на анкерните болтове като тези, представени в (10), не са напълно валидирани чрез експериментални изследвания. Предложената методология се основава само на тестове, при които натоварването е приложено монотонно и не е обърнато особено внимание на влиянието на подливката върху поведението на съединението. С цел разглеждане на тези въпроси се проведе експериментална програма, при която бяха изпитани 4 тестови образeца в реални размери при вариране на различни параметри във всеки един тест. Приложеното натоварване за два от тестовете бе монотонно, а за други два – циклично знакопроменливо. Две от базите бяха изпълнени с подливки от разтвор на циментова основа, а други две – от същия разтвор, но дисперсно армиран със стоманени фибри. Всички експерименти бяха придружени от спомагателни тестове за установяване на точните характеристики на вложените материали – анкерни болтове, бетон за фундаменти, подливки. Основните изводи от проведената експериментална програма са както следва: – Поведението на разглежданото съединение – база на стоманена колона, подложена на срязващи сили, силно зависи от характеристиките на подливката. И при монотонното, и при цикличното знакопроменливо натоварване базите с подливки от дисперсно армиран със стоманени фибри разтвор показаха по-висока гранична носимоспособност и по-висока дуктилност. – Особено значение за поведението на съединението имат качествата на подливката при циклично знакопроменливо натоварване, където носимоспособността се различава с 60%, а броят цикли на натоварване, който може да поеме съединението – с над 30%. – Основна причина за по-голямата носимоспособност и дуктилност на базите с армирани подливки е различният тип разрушение, който настъпва при тях – вместо разрушаване на подливката се стига до скъсване на анкерните болтове. – Хистерезисното поведение на базите на колони, подложени на срязване, се характеризира с „прещипани“ хистерезисни примки, което може да се отдаде на бързата деградация на носимоспособността, дължаща се на локалното разрушение на подливката около анкерните болтове. – Трябва да се отбележи, че поради високата себестойност на експериментите в реални размери настоящото изследване не съдържа в себе си достатъчно на брой тестове за пълно статистическо изследване. В този смисъл получените резултати би следвало да се разглеждат с прилагането на подходящи коефициенти на сигурност. ЛИТЕРАТУРА 1. БДС EN 1998-1:2006. Еврокод 8. Проектиране на конструкциите за сеизмични въздействия. Част 1. Общи правила, сеизмични въздействия и правила за сгради. 2. ANSI/AISC 341-10: 2010. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. 3. Tremblay, R., М. Bruneau, М. Nakashima et al. Seismic design of steel buildings: lessons from the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake. Canadian Journal of Civil Engineering, 1996. 4. Kitagawa, Y., Н. Hiraishi. Overview of the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake and proposals for earthquake mitigation measures. Journal of Japan Association for Earthquake Engineering, 2004.