Натурно изпитване на иновативна конструкция на предплоча

Проф. д-р инж. Енчо Дулевски, доц. д-р инж. Лазар Георгиев, инж. докторант Десислава Митева, УАСГ В статията е представено натурно изпитване на иновативна конструкция на предплоча. Опитният образец беше модифициран в съответствие с конкретните условия на изпитването. Изработената за него метална предплоча беше окомплектована с датчици, изолирани за предпазване от външни въздействия. След бетониране системата датчици остана вбетонирана в комбинираната плоча. Опитното тяло беше изпитано до достигане на разрушение. Изследвани са характерни аспекти от поведението на изпитвания образец под натоварване, като специално внимание е отделено на връзката стомана – бетон. Тази публикация е резултат от разработването на научноизследователска тема, финансирана от Центъра за научни изследвания и проектиране на УАСГ. Въведение в проблематиката В предишни публикации е изяснено значението и приложимостта на избраното конструктивно решение на комбинирана стомано-стоманобетонна плоча, наричана от тук насетне за по-кратко „комбинирана плоча”. Набелязани бяха базисни точки за сравнение на използваните до момента в практиката конструктивни решения и предлаганото. Една от тях е именно поведението на комбинираната плоча в експлоатационно състояние. Основната цел на това сравнение е да се определи с приемлива точност реалната носимоспособност на конструкцията. Цел и задачи на изпитването Беше изготвен експериментален образец със следните характеристики: конструктивни размери – 2470/480/250 mm, височината е определена в най-ниската точка на вълната. Вече са описани подробно теоретични изчисления за усилия и носимоспособност в експлоатационни и крайни гранични състояния на разглеждания образец в съответствие с натоварвания и модели за носимоспособност, дефинирани в Еврокод. Бяха изследвани: носимоспособност на конструкцията за външни натоварвания; носимоспособност на диагоналните пръти на фермичката при реализиране на комбинирано действие; носимоспособност на заваръчните шевове между фермичката и профилираната ламарина; деформации. Получените резултати послужиха за основа при определяне на основните размери и конструктивното детайлиране на експерименталния образец. За подготовка на опитния образец бяха използвани материали от фирмите „Монолит 3” – армировъчни фермички, и от ViaCon Polska – профилирана ламарина. Натурните изпитания бяха проведени в лабораторията на катедра МДПК в УАСГ. След изпитвания с оглед определяне на механичните характеристики на бетона и въз основа на получените резултати бяха реализирани малки промени в конструктивното решение, които съответно бяха отразени в теоретичните изчисления. Експерименталният образец беше моделиран по МКЕ с програмен продукт SAP2000 (при идеална постановка, без отчитане на някои геометрични отклонения, характерни за конструкцията на готовите армировъчни фермички). Въз основа на резултатите от проведените анализи беше определена програмата за натоварване при натурното изпитване, като прилагането на товара се реализира на стъпки с големина ~ 10% от теоретично определената еластична носимоспособност. При анализа по МКЕ съществуват редица приемания, поради които поведението на изчислителния модел се различава от това на реалния конструктивен елемент. Профилираната ламарина е моделирана с плосък черупков елемент с приведена огъвна коравина, съответстваща на действителното й напречно сечение. Бетонът е моделиран също с плосък черупков елемент с осреднена дебелина, за да се отчете променливата му височина. В изчислителния модел по МКЕ не се отчита, че армировъчните фермички се включват в работа след преодоляване на адхезията между стоманобетонната плоча и профилираната ламарина. В изчислителния модел не е отчетено напукването на бетона – иницииране на пукнатини, пътят им на разпространение и нарастване на широчината им. Не е възможно да бъдат измерени и отчетени в изчислителния модел несъвършенства при изработване на образеца, монтаж на стенда за изпитване и центриране на хидравличната натоварваща система. При изпитване на комбинираната плоча за полезни товари опорните реакции стават значително по-големи в сравнение с натоварения от собственото тегло на бетона образец. По тази причина се реализира промяна на конструктивното офор­мление на опорния детайл при запазване на подпорните условия на образеца (фиг. 2). Въз основа на проведените анализи бяха формулирани основните цели на изпитването: определяне на носещата способност и механизма на разрушение на експерименталния образец; изследване на поведението на армировъчните фермички, осигуряващи връзката между стоманобетонната плоча и профилираната ламарина; оценка на коравината и носещата способност на връзката; провеждане на изпитването. Натоварването беше реализирано чрез хидравличен крик, а стойностите му се измерваха с тарирана MES доза, свързана с усилвател и персонален компютър. Натоварването се прилагаше стъпково в съответствие с приетата схема – т. 2. Общият вид на подготвения за изпитване образец е представен на фиг. 3. Вид и местоположение на измервателните устройства По дължина на елемента в характерни напречни сечения са монтирани два вида датчици – индуктивни за измерване на линейни премествания и електросъпротивителни за измерване на относителни деформации. Бяха използвани и електросъпротивителните датчици, останали от изпитването на металния скелет, вбетонирани в опитното тяло. Електросъпротивителните датчици бяха групирани в четири куплунга с номера, както следва: група 2 – датчици от №10 до №17; група 3 – датчици от №20 до №28 без №25; група 4 – датчици от №30 до №37; група 5 – датчици от №40 до №48. Индуктивните датчици бяха отделени в група 1 с номера от 2 до 6. Схема на разположение на измервателните устройства е представена в предходно изследване. Етапите на прилагане на товара и съответните му стойности са представени на фиг. 4. За всеки от тях са направени съответните измервания и проследяване за развитието на ефектите, специфични за приетото конструктивно решение. Резултати Измерванията бяха насочени към получаване на относителните деформации в характерни точки по основните конструктивни елементи, подробно описани в (12). Отчетите бяха в следните пунктове: относителни деформации в основните и пълнежните пръти от фермовата конструкция в характерни точки; относителни деформации в профилираната ламарина в характерни точки; относителни деформации в характерни точки от бетонното сечение. Следени и записвани бяха и общите деформации (провисвания) в съответни позиции по дължина на опитния образец. Отлепване на бетона от стоманената профилирана ламарина В конкретния случай и експериментална постановка се реализира от възможните механизми на разрушение – отлепване на бетона от стоманената профилирана ламарина. Това явление се наблюдаваше основно във външните вълни – на местата, където те имаха по-голяма свобода на деформация. При разработване на опор­ния детайл избрахме да разположим опорната шина само във вътрешността, обхващайки една цяла вълна. Краищата на вълните бяха оставени свободни, което позволи по-голяма деформируемост и съответно отварянето им. Това на свой ред беше и предпоставка за поява именно на отлепване на краищата от бетона. От друга страна, в краищата на вълните липсваше и поставената по дължина на елемента фермова конструкция, която доказа успешно ролята си на дюбелно съединение. Липсата на механична връзка между бетона и профилираната ламарина е още една от предпоставките за отлепването извън обхвата на фермичките. Самият резултат може да се наблюдава на фиг. 5. Приплъзване на бетона и стоманената профилирана ламарина Елементът има постоянна начална коравина на огъване, определена от параметрите на напречното сечение и при липса на нарушение на адхезионната връзка между стоманобетонната плоча и стоманената ламарина. При нарастване на товара и съответно преместванията (общите деформации в опорите и по дължина на елемента) настъпва нарушаване на адхезионната връзка между бетона и стоманата. В работа се включват фермичките, които играят ролята на дюбели. Моментът на нарушаване на адхезията между бетона и стоманата може да бъде определен по рязкото увеличаване на нормалните напрежения в наклонените пръти от фермичките (фиг. 7). Фиг. 7 е обобщаваща извадка на влиянието от отлепването и приплъзването между бетона и профилираната ламарина върху наклонените пръти от фермичките (за елемента, при който то е най-силно изразено). Отваряне на пукнатини в бетона и нарастването им във функция на натоварването Опитното тяло беше изпитано на огъване при статическа схема проста греда с концентрирана сила в средата до разрушение. По време на самото изпитване при всяка стъпка на натоварване беше следен моментът, в който се появяват първите пукнатини вследствие на огъването, както и тяхното нарастване. Моментът на поява на първата пукнатина беше приблизително уточнен след обработка на опитните резултати и със задоволително съответствие по отношение на теоретично определения въз основа на якостта на опън на бетона. Освен нарастване на големината на пукнатините с увеличаване на натоварването се забеляза, че освен нормални по дължина в посока на опорите се появиха и на-клонени към оста на комбинирания елемент пукнатини (вследствие на едновременното действие на огъването и срязването) с наклон, силно изразен при опорите. С увеличаване на натоварването те нарастват, но благодарение на стоманения скелет техният брой и размери са ограничени. Анализ на резултатите Описаните по-долу резултати засягат следните два аспекта: общи деформации (провисвания) по дължина на елемента, относителни деформации, обработени и представени под формата на диаграми на напреженията, разгледани в характерни точки. Направено е сравнение на получените резултати от теоретичните постановки, моделите в програмния продукт и натурните изпитвания. Общи деформации (провисвания) по дължина на елемента Максималната достигната стойност на вертикалните деформации при разрушение от натурното изпитване за огъване е 27,800 mm. Теоретично определеното провисване от изчислителния модел в SAP 2000, съответстващо на еластичната носеща способност, е 10,127 mm. Относителни деформации в основните и пълнежните пръти от фермовата конструкция Таблиците показват малка извадка от получените нормални напрежения в групите датчици, изчислени с помощта на измерваните относителни деформации при изпитването на опитния образец. При сравнение на резултатите натурно изпитваният образец показва носимоспособност около 30% по-голяма от теоретично определената. Предвижда се да се разработи оценка на ефективността на предложеното конструктивно решение, както и да се направи оптимизиране. Изводи Тази статия е резултат от втората година на научноизследователска тема, финансирана от Центъра за научни изследвания и проектиране в УАСГ. Основните изводи от проведените теоретични и експериментални изследвания са:  Възприетото решение за пътна комбинирана плоча показва приемливо конструктивно поведение при концентрирано натоварване.  Армировъчните фермички осигуряват достатъчна носеща способност и коравина за хоризонтално разместване между бетона и стоманата в контактната фуга.  Разрушението на образеца при възприетите размери се реализира при големи стойности на общите вертикални деформации. Ако критерият за разрушение е провисване, по-голямо от 1/150 от отвора, то меродавно е ЕГС. Механизмът на разрушение е свързан с якостно разрушение на бетона в натисковата зона. Получилите се разрушения в бетонното сечение указват необходимост за подобряване на схемата на армиране на елемента.  Резултатите от прецизираните спрямо предходно изследване числени модели, теоретичното изследване за носеща способност и натурното изпитване се припокриват задоволително. Всичко това може да се използва като основа за изготвяне на ценово сравнение между предложеното конструктивно решение и използваните такива до този момент. Очакванията на екипа са, че ще се докаже експлоатационната и икономическата му ефективност. Резултатите от проведените изпитвания могат да се използват и в бъдещи разработки, които да доразвият иновативното конструктивно решение в други аспекти от поведението му с цел по-широко приложение в практиката.