Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

295031e3dc95593a0659aa013717ba8aиртртр

Современное развитие строительного материаловедения в направлении создания высокотехнологичных, прочных и эффективных материалов принципиально привело к снижениюих долговечности. Большое количество построенных кирпичных зданий и сооружений, не смотря выполнение функциональных возможности пришли в эстетическую и технологическую негодность. Шелушатся и разрушаются фасады, падающие обломки материалов и конструкций несут потенциальную опасность причинения вреда. Низкая надежность зданий ведет к увеличению расходов на эксплуатацию и ремонт. Проблема повышения эффективности и механических свойств при сохранении  долговечности традиционных материалов несет не только технический, но и экономический, и социальный эффект за счет снижения затрат на эксплуатацию, осмотры, ремонты, увеличивая срок службы. Для решения необходимоустановить связь структуры композиционного материала с ее свойствами и оценить влияние дефектов структуры, имеющих значимость для данного свойства. Создать технологии направленного формирования структуры на основных иерархических уровнях, добиваясь баланса совместной работы элементов разного размера и значимости.

Одним из перспективных направлений создание многослойных анизотропных материалов для восприятия и гашения динамических, сейсмических, вибрационных, циклических нагрузок. Решение задач подобного уровня требует создания и включение в работу конструкций сложных технических элементов: гасителей, колебательных контуров, вибро-, сейсмозащитных изоляторов, демпферов основанных на различных конструктивных принципах и т.д. В результате использования традиционных сейсмозащитных элементов и решений в конструкциях зданий приводит к их существенному удорожанию. Решение поставленной задачи на уровне формирования структуры материала выполняющего комплексную роль, в т.ч. гасящего энергию внешних воздействий, позволит упростить конструкции зданий, повысить эффективность работы, из-за более полного включения в работу конструкций.  

Создание композиционных анизотропных материалов должно основывать на эффективном гашение и перераспределение в структуре энергии внешних динамических, вибрационных и сейсмических нагрузок. Принципиальным является создание встроенных колебательных контуров, в структуре материала, комбинируя жесткие и деформативные элементы, выполняющие роль демпфирующего или гасящего элемента и инерционных масс, обеспечивающих перераспределение усилий и создание противодействующих инерционных сил, близких по значению с внешними нагрузками и противоположными по знакам. Создание подобных материалов должно основываться на подстраивающися под внешние условия свойств материала. Например, снижение деформативности по увеличении действующих нагрузок, увеличение прочности и жесткости при увеличение скорости приложения нагрузок. Это позволит более полно включить объем материала в работу, снижая концентрации напряжений в отдельных участках или элементах.

При динамических загружениях структура материала не успевает перераспределить внешнюю энергию и перераспределить внутренние усилияиз-за чегопрочность и жесткость увеличиваются[1]. Для эффективного использования необходимо создание комплекса свойств в анизотропных материалах, комбинируя структурные элементы, добиваясь получения заданных свойств. Наиболее доступно на практике использование многослойной структуры. Дальнейшее совершенствование связано с направленным формированием структуры материала на основных иерахических уровнях, для оптимального взаимодействия структурных элементов различных геометрических размеров и уровня значимости [2,3]. Использование армирования различных уровней структуры от мега до сумбикро и наноуровня [4]. Подбор заполнителей и наполнителей различного уровня в зависимости от их морфологии и генезиса, для оптимизации дефектности структуры различных уровней и пустотности [5].

Это один из принципиальных аспектов создания активных материалов подстраивающихся под внешние нагрузку и факторы.

Основы расчета на динамическое и сейсмическое воздействие исходя их параметров разрушения. Поскольку одновременно на здания действуют сейсмические силы и собственный вес здания при движении они суммируются и итоговое ускорение даже с учетом материалов, описанных ранее составляет перегрузку в 1,4 раза. Это говорит о необходимости подбирать материалы работающие на вертикальную нагрузку с учетом коэффициента динамичности. Это согласуется с мнением У. Танака и У. Коненко которые считают, что при проектировании колонн на нагрузки сейсмического типа, при общем перемещении верха колонн превышающем в 2 раза статические, необходимо что бы действующие нагрузки составляли 1/3 от цилиндрической прочности бетона [7].

Исследования динамических свойств бетонов различного показала, что разрушение происходит при критическом ускорении М.М. Сердюкова, как приведено в таблице 1 [1].

Таблица 1.

Результаты испытаний материалов на сейсмостойкость

Материал

Плотность, кг/м3

Предел прочности кг/см2

Критическое ускорение, м/с2

Кд= акр/g

Обычный бетон

2400

97

8,2

1,83

Керамзитобетон

1300

41

4,5

1,46

Шлакобетон

1800

32

2,9

1,3

кладка

1700

32

1,9

1,2

Это одна из причин разрушения материалов в конструкциях даже при незначительных сейсмических воздействиях.

Реологическая схема традиционных материалов предусматривает один контур, что приводит к разрушению структуры и развиваться резонансным явлениям.

Рис.1. Одноконтруная схема работы траиционных материалов: а) при динамической нагрузке от оборудования; 1 – объект защиты (здание. Сооружение, элемент, конструкция); 2 деформативный элемент запасающий энергию и перераспределяющие за счет упругих деформаций ( возможно вязкая и пластическая составляющие); 3 поверхность опирания (основание).

Рассмотрим принципиальную схему идеализированного материала для гашения и поглощения внешних сейсмических нагрузок. Сущность работы такого материала заключается в создание трех колебательных контуров работающих совместно, причем первые два включены в третьего. Каждый контру состоит условно из трех элементов: «объект, инерционная масса-деформативный элемент, инерционная масса». Принципиальная схема приведена на рис. 2.

Рис.2. Трехконтруная схема работы многослойных анизотропных материалов: а) при динамической нагрузке от оборудования; б) при сейсмическом воздействии. 1 – объект защиты (здание. Сооружение, элемент, конструкция); 2 ,4 деформативные элементы запасающие энергию и перераспределяющие за счет упругих деформаций (возможно вязкая и пластическая составляющие); 5 инерционный элемент – жесткий слой обеспечивающий работу контуров; 3 поверхность опирания (основание).

Совместная работа и оптимальный подбор структуры контуров является условием гашения динамических нагрузок, контрур 3 при совместной работе контруа 1 и 2 испытывает минимальные динамические нагрузки, что позволят получить в целом эффективное решение. Подбор совств для оптимизации работы системы исходя из следующих свойств:

Контур 1

р, р0–частота вынужденных колебаний;

ω- частота собственных колебаний;

М масса объекта; к - жесткость деформативного элемента 2; εст–статическая деформация; А- амплитуда колебаний.

С учетом гашения колебаний.

Контур 2

   при ψ=0,15

Контур 3

Для гашения энергии в контуре 3, необходимо, что бы система деформативных элементов поглощала энергию раную энергии главной массы М.

П=ΔП+ ΔП’

Если принять коэффициенты гашения 1 слой резина 2 древесина

Ψ1=0,25; ψ2=0,14 и соответствующие модули деформаций при одинаковой площади всех элементов, исходя из того можно найти необходимую массу инерционного слоя 3 а, зная его плотность и толщину.

Тогда соотношение масс должно составить 0.3. Приведенный упрощенный расчет параметров колебательных контуров формируемых в структуре анизотропного композиционного материале может реализоваться в виде многослойного материала на мега или макроуровне или формированием колебательных контуров на разных иерархических уровнях структуры.

Простейшей реализацией будет применение армодемфирующих элементов в бетонных и кирпичных конструкциях. Расчетная схема соответствует одноконтурной колебательной системе. Решение возможно за счет использования анизотропных материалов или включение в конструкции элементов создающих в материале эффект анизотропии, сохраняя прочностные и эксплуатационные свойства. Одним из вариантов использования является включение в бетонные, кирпичные и д.р. конструкции армодемпфирующихэлементов, в основном направлении приложения нагрузки выполняющих роль демпфера, в поперечном косвенного армирования., что сохраняя эксплуатационные и прочностные свойства, существенно увеличит энергоемкость за счет высоких деформаций в начальный момент времени при обжатие и постепенный прирост модуля деформаций по мере увеличения нагрузки.

25

 

Экспериментальная проверка эффективности конструктивных мероприятий на образцах кладки из кирпича и цементно-песчаного раствора (М150) выявила, что прочность кладки, армированной поперечными сетками (μ=0,1 %), составляет 148 % от прочности неармированной. Армодемпфирующий элемент обеспечивает более высокую прочность кладки, чем у поперечного армированного образца на 33 % при том же коэффициенте армирования.

Ниже приведены результаты экспериментальных испытаний бетонных образцов с армодемпферами на динамическую многоцикловую нагрузку. На пульсаторе испытывались образцы кубики 10х10х10см в возрасте 56 сут. Для изготовления кубиков использовался следующий состав: 1 : 1,45 : 2,04 при В/Ц 0,34 с добавкой СП-3 0,8%.

Армодемпфирующие элементы устанавливались в тело кубиков после набора прочности бетона, толщина армодемпфирующего слоя встраиваемого в бетон составляла 5-7мм. Армодемпфирующий бетон выполнялся из полимерного раствора состава 1:1 полимер и песок стандартного гранулометрического состава, армирующая составляющая сеткой с шагом 7мм, Ø1мм. Результаты испытаний на статическую нагрузку при сжатии образцов показали повышение прочности до 10% и повышение деформативности до 5,5 раз при использовании армодемпфера (см. рис. 4).

Образец бетона состав 1 без армирования. Площадь...10000 мм.кв

х0,5%

 

Образец бетона состав 1

с армодемпфером. Площадь...10000 мм.кв

х0,5%

 

Рис. 3. Графики σ-ε: 1- стандартного образца бетона; 2- образца с армодемпфером

В соответствии с современными нормативными документами [2] для построения регрессионной кривой необходимо проводить испытания до разрушения при нагрузке 0,9; 0,8; 0,7; 0,6 от разрушающей. С другой стороны при максимальном коэффициенте вариаций однородности прочностных свойств с обеспеченностью 0,95 класс бетона при сжатии составляет 77,8% от средней прочности партии [3]. Значит построение регрессионной кривой за пределами величины 77,8% от средней прочности является малоинформативным, хотя и сокращает продолжительность испытаний. Значит для динамических многоцикловыхиспытаниях необходимо использовать показатели регрессионной кривой менее 77,8% от разрушающего усилия. Коэффициент ассиметрии должен при динамическом многоцикловом испытании для моделирования реальных условий составлять 0,3-0,4. Таким образом, экспериментальная проверка проводилась на аналогичных образцах, при загружении нагрузкой 0,8 и 0,7 от разрушающей с коэффициентом ассиметрии 0,3-0,4. При нагрузке 0,45 от разрушающей бетонные образцы выдержали 2,7х106 циклов без разрушения и испытание прекратилось. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица

Результаты многоциклового испытания бетонных образцов с армодемпфером при ρассим =0,3-0,4

Вид образца

Нагрузка   в долях от Рразр

примечание

0,8

0,7

0,45

Стандартный образец

0,6х103

11,8х103

2,7х106

При 0 ,45 без разрушения

С армодемпфером

2,4х103

117х103

2,7х106

В результате экспериментов установлено, что образцы с армодемпфером выдержали в 4 раза большее количество циклов нагружения до разрушения при уровне нагрузки 0,8 от разрушающей, и почти в 10 раз большее при нагрузке в 0,7 от разрушающей. Это подтверждает эффективность использования армодемпфирующих элементов для создания искусственной анизотропии свойств композиционных материалов при работе в условиях динамических многоцикловых и сейсмических нагрузок.

Поперечные деформации композиционных анизотропных материалов при сопоставимых нагрузках в 1,5 раза выше при одинаковых вертикальных. Это приводит к интенсивному развороту элементов, подвергающихся наибольшему воздействию поперечных сил. Разворот сечения составит до 1,5-2 градусов, что отразится на схеме работы материала. При использовании композиционных анизотропных материалов снижаются собственные частоты конструкции по сравнению с изоторопным материалом с 3,9 до 2,9Гц (изменение до 24%), что отражается на восприятии динамических нагрузок. Снижаются действующие на элемент силы за счет разворота сечения, этот эффект составляет в пределах 3,5% при подобном угле разворота. Возникает отталкивающая сила, которая стремится сбросить элемент с конструкции и которая компенсируется вертикальным прижимом. Нагрузка, ранее действующая по наиболее невыгодному направлению, сдвигающая элементы композиционных анизотропных материалов относительно друг друга, становится менее значима из-за наклона относительно плоскости стыкования элементов. Более жесткие элементы с меньшим коэффициентом поперечных деформаций – анизотропный заполнитель – играет роль обжимающего, а значит, армирующего эффекта для более деформативных элементов. При достижении предельных значений сдвиговых усилий формируется элемент сухого трения, поскольку после образования трещины на участке сцепления соседних элементов композиционных анизотропных материалов, при формировании элемента сухого трения, возможно восприятие нагрузки до 70% от вертикальной. Проблемой является формирование единого композиционного материала с высокой адгезией отдельных слоев друг, другу, но и решается подбором состава отдельных структурных элементов и мероприятий повышающих адгезию и прочность на срез.

При использовании композиционных анизотропных материаловпри постоянном модуле деформаций повышается энергоемкость разрушения материалов, а значит, и эффективность их использования в суровых условиях динамических и сейсмических воздействий.

Библиографический список

  1. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. Изд. Лит. По строительству. –М.; 1970 с.271.
  2. Соломатов В.И. Развитие полиструктурной теории композиционных материалов // Известия вузов. Строительство. – 1985. – № 8. – С. 44–53.
  3. Чернышев Е.М. Развитие теории системно-структурного материаловедения и высоких технологий строительных композитов нового поколения // Строительные материалы. – 2011. – № 7. – С. 63–65.
  4. Коротких Д.Н. Дисперсное армирование структуры бетона при многоуровневом трещинообразовании. // Строительные материалы. – 2011. – № 3. – С. 98–100.
  5. КомоховП.Г., Беленцов Ю.А. Армодемпфирующие элементы для работы материала в условиях динамических и сейсмических нагрузок. / Строительные материалы. – 2010. – № 9. – С. 69-70.
  6. Корчинский Л.И., Бородин Л.А., Гросман А.Б. Сейсмостойкое строительство зданий. –М.; -ВШ, 1971г, 320с.
  7. Гридчин А.М., Баженов Ю.М.,Лесовик В.С., Л.Х. Загороднюк, А.С. Пушкаренко, А.В. Васильченко. Строительные материалы для эксплуатации в экстремальных условиях. Уч.Пос. -М, АСВ, -Белгород, Изд. БГТУ, 2008, 594 с.
Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить