Экспериментальные исследования конструкций с переходными колоннами

Экспериментальные исследования конструкций с переходными колоннами с использованием виброплощадки

• Цель эксперимента

Здание представляет собой вертикальную несимметричную конструкцию. 1-й и 2-й этажи - каркасные конструкции стилобата. Основная 28-этажная конструкция представляет собой сочетание ядра жесткости и стоечно-балочного
каркаса. На 4-м, 10-м и 22-м этажах модели расположены переходные колонны. Экспериментальные исследования модели, выполненной в масштабе 1:25, с использованием виброплощадки позволили исследовать ее динамические особенности при сейсмическом воздействии, установить динамическую реакцию, выявить места возможного возникновения трещин конструкций. Такие эксперименты позволяют проверить рациональность и выполнимость проектов.

Общий вид модели

• Ход эксперимента

Модель изображена на рисунке. Размер в плане 3200x2150 мм, высота модели 4418 мм.

На нескольких этажах по X и Y расположили 32 акселерометр-датчика, которые при сейсмическом воздействии измеряли максимальные ускорения и эффект кручения.

Для того чтобы определить характеристики переходных колонн, на них расположили 14 тензорезисторов, которые при сейсмическом воздействии измеряли изменение динамических деформаций.

Согласно требованиям сейсмостойкости были применены три волны: искусственная сейсмическая волна, волна строительной площадки и волна EL-Centro.

• Выводы

Эксперимент с использованием виброплощадки подтвердил, что конструктивное решение этого здания с переходными колоннами практически удовлетворяет требованиям сейсмостойкости при землетрясении в 7 баллов.

Статические исследования конструкции с переходными колоннами

• Проектирование модели

Эксперимент был выполнен для изучения особенностей передачи усилий, расположения трещин и разрушения элементов переходных этажей. В качестве модели для эксперимента выбраны конструкции 3-го, 4-го и 5-го этажей (4-й этаж - конструкция переходных колонн) в масштабе 1:5. Общий вид модели здания приведен на рис. 8.3.12. Экспериментальная модель для статических испытаний приведена на рис. 8.3.13. Высота модели 3,22 м.

При проектировании применено два варианта армирования: первый вариант - вертикальная арматура колонны и арматура перекрытия удовлетворяющая требуемой расчетной интенсивности с установленными по всему сечению хомутами. Второй вариант - при проектировании переходных колонн и соседних элементов перекрытий применили концепцию «сильные колонны-слабые балки». При этом были усилены колонны первого этажа, переходные колонны. Армирование балок и плит было, соответственно, уменьшено.

• Способ нагружения

При сейсмическом воздействии поперечная сила действует на ядро, нормальная сила действует на колонны внешнего каркаса.

В статическом эксперименте с моделью применялся вариант нагрузки - продольное сжатие через вершины колонн.

• Анализ полученных результатов

Зависимость перемещений от нагрузки по первому и второму варианту и общая картина трещин в колоннах, перекрытиях и модели после статистических испытаний представлены на рисунках.

Зависимость перемещений от нагрузки

Картина трещин в колоннах и перекрытиях

а - схема трещин перекрытия 2-го этажа (верхняя поверхность);

Ь - схема трещин перекрытия 2-го этажа (нижняя поверхность); с - схема трещин перекрытия 3-го этажа (верхняя поверхность);

d - схема трещин перекрытия 3-го этажа (нижняя поверхность)

Расположение трещин в модели

а - фронтальная сторона; Ь - оборотная сторона; 1 - нижняя поверхность;

2 - поверхность (сторона) бетонирования; 3 - отслаивание; 4 - песочная трещина

Выводы и результаты по проектированию

1. По результатам эксперимента и картине разрушения (вариант I и И), когда вертикальная нагрузка действует на антаблемент, из-за переходных колонн изменили конструкцию основных колонн, подколонника 3-го этажа, подколенника и антаблемента 1-го этажа, которые воспринимают большую продольную силу и изгибающий момент. Переходные колонны находятся в сложном напряженном состоянии продольно-поперечного изгиба. Вращение колонн приводит к увеличению сжатия (внутренний подколонник 3-го этажа и внешний антаблемент 1-го этажа). Основные колонны или переходные колонны теряют устойчивость и конструкция здания разрушается.
2. При проектировании армирования переходных элементов на основании общего анализа конструкции всего здания можно проводить анализ ограничительного фрагмента с частными упругостями в местах переходных колонн, рассчитывать внутренние усилия для переходных колонн, колонн нижних и верхних этажей и перекрытий и по напряжениям назначать армирование, а также применять конструктивные мероприятия по увеличению армирования.