STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono opis elementów próbnych, metodykę oraz wybrane rezultaty badania ram stalowych poddanych utracie słupa wewnętrznego. Badaniom poddano cztery elementy wykonane w skali naturalnej, z czego dwa były stalowe, dwa kolejne zaś posiadały rygiel stalowy zespolony z płytą żelbetową wylewaną na blasze fałdowej. Głównym celem przeprowadzonych badań była obserwacja zachowania doczołowych połączeń śrubowych rygla ze słupem.
SŁOWA KLUCZOWE: badania doświadczalne, węzły ram, oddziaływania wyjątkowe, utrata słupa
1. WPROWADZENIE
Budynki szkieletowe o konstrukcji stalowej projektowane są tak, aby w sytuacji obliczeniowej trwałej, pod wpływem oddziaływań stałych, użytkowych i środowiskowych spełnione były obliczeniowe warunki nośności, użytkowalności i trwałości.
Przy projektowaniu rozpatrywać należy również sytuacje wyjątkowe, odnoszące się do rzadkich warunków pracy konstrukcji, takich jak pożar, wybuch, uderzenie lub konsekwencje lokalnego zniszczenia fragmentu budynku [1]. O ile zasady projektowania i wymiarowania szkieletów stalowych i zespolonych w sytuacji obliczeniowej trwałej są szczegółowo wyszczególnione i opisane przez pakiet konstrukcyjnych norm europejskich (tzw. Eurokody [2], [3]) o tyle zasady odnoszące się do projektowania budynków w sytuacji wyjątkowej są ciągle jeszcze przedmiotem prac naukowych i badawczych [4][7].
Celem podjętych badań było prześledzenie mechanizmu zachowania się szkieletowego układu ramowego w warunkach oddziaływań wyjątkowych, polegających na zmianie schematu statycznego ustroju w wyniku utraty nośności jednego wewnętrznego słupa w wielonawowej ramie kilkukondygnacyjnej.
______________________
1 m.gizejowski@il.pw.edu.pl
2 kozlowsk@prz.edu.pl
M. Giżejowski, B. Saleh, A. Kozłowski, Z. Pisarek, L. Ślęczka 162
2. IDEA STANOWISKA DO BADAŃ
Eliminacja z ustroju nośnego jednego słupa w ramie stalowej lub żelbetowej na wskutek wybuchu, uderzenia czy zlokalizowanego pożaru nie oznacza wcale natychmiastowego zniszczenia całej konstrukcji. W przypadku zniszczenia słupa wewnętrznego, w ustroju ramowym z dwu sąsiadujących naw tworzy się wówczas jedna nawa o podwójnej rozpiętości posiadająca pewną zdolność do przeciwstawienia się postępującemu zniszczeniu całego układu. Oprócz powstałego w ten sposób podukładu ramowego, ważną rolę odgrywa sztywność postaciowa pozostałej części konstrukcji, ograniczająca poziome przemieszczenie sąsiadujących słupów, w stronę słupa eliminowanego z konstrukcji.
Nośność układu o zmienionym w wyniku utraty słupa schemacie statycznym może być nadal utrzymana dzięki powstaniu znacznego ugięcia rygla ramy i ujawnieniu się w nim siły podłużnej o znacznej wartości. Istotną rolę w takim mechanizmie pracy konstrukcji odgrywają połączenia rygla ze słupem, w których pojawia się złożony układ obciążeń będący interakcją siły podłużnej i momentu zginającego o dodatnim znaku (rozciąganie w włóknach dolnych węzła), (rys. 1). W sytuacji projektowej trwałej w węźle działa moment zginający ujemny (rozciąganie w włóknach górnych), siła podłużna jest zaś znikoma, a więc w sytuacji utraty nośności słupa i zmiany schematu statycznego ustroju następuje w takim węźle znacząca zmiana charakteru wytężenia. Zdolność do uplastycznienia i ciągliwość są bardzo istotnymi parametrami charakterystyki węzła wpływającymi na zachowanie nośności ramy w warunkach oddziaływań wyjątkowych.
Rys. 1. Idea stanowiska do badań; 1- rozkład momentów zginających w ryglach ramy w sytuacji trwałej, 2- utrata nośności słupa, 3- podukład ramowy
3. BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO
W celu prześledzenia zachowania układu ramowego podlegającego usunięciu słupa środkowego, zaprojektowano i wykonano cztery elementy próbne, będące fragmentami (wycinkami) ram, w skali naturalnej. Wszystkie elementy próbne były dwunawowe, o rozpiętości pojedynczego przęsła L=6,0 m, z dodatkowymi fragmentami rygli bocznych (rys. 2 i 3). Rygiel ramy stanowił kształtownik IPE300, słupy zaś wykonane zostały z kształtownika HEB200.
Słup, którego usunięcie powoduje zmianę schematu statycznego jest umieszczony w osi
„C” (rys. 2 i 3). Wykonany jest z krótkiego odcinka kształtownika, który w fazie montażu jest sztywno podparty w kierunku pionowym, natomiast w fazie badania podpora ulega wymuszonemu przemieszczeniu w dół. Rygle ramy rozpięte są pomiędzy osiami „B”–„C”
i „C”–„D”. W osiach „B” i „D” umieszczone są słupy ramy, które nie ulegają eliminacji.
W osiach „A” i „E” znajdują się sztywne elementy oporowe. Każdy z nich jest stężony bocznie za pomocą dwu zastrzałów. Zadaniem tych elementów oporowych jest stworzenie odpowiednio dużej sztywności postaciowej odpowiadającej bocznemu podparciu
Badania doświadczalne ram poddanych oddziaływaniom wyjątkowym 163 wywieranemu przez tę część ramy, która nie podlega zniszczeniu w sytuacji wyjątkowej.
Badane elementy połączone są z elementami oporowymi za pomocą krótkich odcinków rygli (ok. 1,20 m), które łączone są z elementami oporowymi w sposób przegubowy, za pomocą sworznia o średnicy 80. Połączenie sworzniowe ma wymuszać powstanie miejsca zerowania się momentów zginających w tych punktach ramy, zgodnie z (rys. 1).
Rys. 2. Element badawczy nr 1 i 3 (rama stalowa); 1- podłoga siłowa, 2- pionowy element oporowy, 3- zastrzały, 4- słup zewnętrzny ramy, 5- rygiel ramy, 6- słup wewnętrzny, 7- połączenie sworzniowe
Rys. 3. Element badawczy nr 2 i 4 (rama z ryglem zespolonym); 17 – jak na rys. 2, 8- płyta żelbetowa
Całkowita długość badanych elementów próbnych wynosi 14,8 m, zaś z elementami oporowymi stendu długość wynosi 19,2 m. Wysokość elementów próbnych (długość słupów) dostosowana jest do możliwości badawczych laboratorium i wynosi 1,83 m.
Elementy próbne nr 1 i 3 są ramami stalowymi, zaś elementy próbne nr 2 i 4 są takimi samymi ramami, jak elementy stalowe (nr 1 i 3), lecz z płytą żelbetową zespoloną z ryglem stalowym, (tabl. 1). Węzły tych ram były identyczne z tymi, które rozpatrywano w [8].
Tablica 1. Elementy próbne
Element
próbny Rygiel Słup Połączenie rygla ze słupem
Rama 1 IPE300 HEB200 Doczołowe z blachą zlicowaną, rys. 5a Rama 2 IPE300 + płyta zespolona HEB200 Doczołowe z blachą zlicowaną, rys. 5a Rama 3 IPE300 HEB200 Doczołowe z blachą wystającą, rys. 5b Rama 4 IPE300 + płyta zespolona HEB200 Doczołowe z blachą wystającą, rys. 5b W elementach z ryglem zespolonym płyta żelbetowa, wylewana na mokro na blasze fałdowej Cofraplus 60, połączona jest z ryglem stalowym za pomocą sworzni główkowych
19, w rozstawie, co 207 mm. Wykonana jest w taki sposób, że żebra płyty ustawione są prostopadle do rygla ramy. Szerokość płyty jest zmienna na długości rygla. W przęśle rygla
M. Giżejowski, B. Saleh, A. Kozłowski, Z. Pisarek, L. Ślęczka 164
szerokość jest równa 1,1 m, zaś nad podporą (w strefie przysłupowej) zastosowana jest szerokość 0,8 m (rys. 4). Całkowita grubość płyty żelbetowej wynosi h=120mm, zaś grubość żelbetowej warstwy ponad wierzchem blachy profilowanej wynosi hc=62 mm.
Rys. 4. Płyta żelbetowa; a) wymiary geometryczne w rzucie, b) w przekroju poprzecznym
Kluczową częścią elementów próbnych są węzły pomiędzy ryglami a słupami, stanowiące główny przedmiot badania. Jako połączenie rygli ze słupem zastosowano w ramie 1 i 2 połączenia śrubowe doczołowe z blachą zlicowaną, z czterema śrubami M20 kl.10.9, w ramie 3 i 4 zaś połączenia z blachą wystającą, z ośmioma śrubami M20 kl.10.9, (rys. 5).
We wszystkich przypadkach grubość blachy czołowej wynosi tp=10 mm. Panel środnika słupa jest nieusztywniony. Połączenia takie występują przy łączeniu rygli do słupów w osi „B”
i „D” oraz przy łączeniu rygli do krótkiego fragmentu słupa w osi „C”.
Pozostałe połączenia w elementach próbnych mają za zadanie stworzyć warunki podparcia symulujące zachowanie się całej konstrukcji – połączenia dodatkowych fragmentów rygli w osiach „A’ ” i „E’ ” są sworzniowe, zaś podparcie słupów w fundamencie jest nominalnie przegubowe, (rys. 2 i 3).
Rys. 5. Połączenie słupa z ryglem; a) z blachą zlicowaną (rama 1 i 2), b) z blachą wystającą (rama 3 i 4)
Elementy stalowe wykonano ze stali gatunku S235JR, zaś płytę żelbetową z betonu klasy C25/30. Zbrojenie płyty żelbetowej składa się z prętów podłużnych o średnicy 12 wykonanych ze stali BSt500S w odstępie co 100 mm oraz z prętów poprzecznych, (strzemion) 6 w rozstawie co 103 mm.
4. PROCEDURA BADAWCZA I SPOSÓB REALIZACJI POMIARÓW Podczas badań dokonywano następujących pomiarów:
- przemieszczenia wybranych punktów ramy i połączeń, za pomocą czujników przemieszczeń,
- kąty obrotu węzłów za pomocą inklinometrów,
- odkształcenia w wybranych fragmentach konstrukcji i węzłów za pomocą tensometrów elektrooporowych (rys. 6).
Badania doświadczalne ram poddanych oddziaływaniom wyjątkowym 165
Rys. 6. Położenie punktów pomiarowych na ryglu i słupach ramy (P1-P9 – czujniki przemieszczeń, K1-K9 – czujniki obrotu, T1-T9 – tensometry elektrooporowe)
Badanie elementów próbnych nr 1 i 3 (ram stalowych) polegało na stopniowym obciążaniu ustroju siłą pionową, przyłożoną w osi słupa środkowego (w osi C), wywieraną siłownikiem hydraulicznym, przy kontroli przemieszczenia. Obciążenie miało charakter statyczny i nie uwzględniano w badaniach możliwych efektów dynamicznych związanych z sytuacją rzeczywistą, gdy następuje nagła eliminacja słupa ramowego ustroju nośnego.
Podczas badania rygle ramy zastały bocznie podparte, w sposób uniemożliwiający zwichrzenie.
Podczas badania słup środkowy (w osi „C” jak na rys. 2 i 3) został podwieszony do siłownika hydraulicznego i wówczas tymczasowa podpora spod słupa została usunięta. W ten sposób siłownik stał się podporą słupa i zmiana wysuwu tłoka w siłowniku umożliwiła doświadczalną symulację stopniowego usunięcia słupa z konstrukcji. Odbywało się to za pomocą niewielkich przyrostów przemieszczenia. Zastosowano procedurę badawczą, którą scharakteryzowano jak następuje:
- Pomiar siły odbywał się za pomocą siłomierza umieszczonego w głowicy siłownika.
Wszystkie odczyty odbywały się po stabilizacji wartości siły.
- W początkowym etapie zastosowano przyrost przemieszczenia wynoszący 1 mm, następnie wartość tę zwiększono do 4 mm. W późniejszym etapie obciążenie realizowano za pomocą przyrostów wynoszących 8 lub 10 mm.
- Badania prowadzono zwiększając przyrost przemieszczenia aż do całkowitego zniszczenia elementu badawczego. Podczas badania, z uwagi na ograniczony zakres wysuwu tłoka siłownika, zastosowano kilka pętli odciążenia i ponownego obciążenia, umożliwiających zainstalowanie elementów zwiększających wysięg tłoka.
- Badania odbywały się bez symulacji stałego składnika oddziaływań grawitacyjnych rygli ramy (jedynym obciążeniem było wymuszone przemieszczenie siłownika w osi “C” jak na rys. 2 i 3 – z ang. push down test). Celem badania było określenie zdolności węzła stalowego do obrotu w warunkach uplastycznienia blachy czołowej wpływu zmiany cech mechanicznych materiału w strefach wpływu ciepła podczas spawania blachy czołowej do czoła rygla.
Badanie elementów próbnych nr 2 i 4 (ram zespolonych) podzielone było na dwa etapy:
- W etapie pierwszym słup środkowy był dodatkowo podparty i pełnił rolę niezniszczonej podpory, obciążeniem zaś były bloki betonowe o wymiarach 1,2x1,0x0,5 m układane w obu przęsłach ramy („B”–„C” oraz „C”–„D”), generujące obciążenie 30 kN/m na długości rygla. To równomiernie rozłożone na długości rygla obciążenie imitowało obciążenie grawitacyjne, jak dla przypadku kombinacji wyjątkowej w typowym budynku biurowym, w którym rozstaw rygli wynosi około 6,0 m. Obciążenie to symulowało zachowanie się konstrukcji w sytuacji trwałej. W tym etapie wszystkie połączenia belek ze słupami poddane były działaniu momentu ujemnemu (rozciąganie włókien górnych).
M. Giżejowski, B. Saleh, A. Kozłowski, Z. Pisarek, L. Ślęczka 166
- W etapie drugim symulowano utratę nośności środkowego słupa konstrukcji. Obciążenie w postaci bloków betonowych ułożonych w przęsłach rygli nadal pozostawało, podczas gdy słup środkowy został przymocowany do siłownika hydraulicznego i tymczasowa podpora spod słupa środkowego została usunięta. Siłownik hydrauliczny przejął wówczas całkowicie reakcję podporową. Podobnie, jak w przypadku elementów próbnych stalowych (nr 1 i 3), siłownik hydrauliczny, do którego słup był podpięty, sterował jego pionowym przemieszczeniem, przy pomiarze reakcji podporowej i kontroli przemieszczenia pionowego.
5. WYBRANE WYNIKI
Na rys. 7 przedstawiono charakterystyki siła-przemieszczenie uzyskane w 4 badaniach ram próbnych. Siła dodatnia odpowiada sytuacji „push down test” stalowych ram próbnych 1 i 3. Węzły ramy stalowej nr 1 charakteryzowały się znaczną odkształcalnością bez zauważalnych oznak pękania blachy czołowej w strefach wpływu ciepła przy spoinach rozciąganego fragmentu węzła, aż do momentu pierwszego odciążenia. Plastyczne płynięcie nastąpiło na poziomie ok. 70 kN, przy czym przy wzroście przemieszczenia pionowego węzła słupa środkowego następowało stopniowe pękanie blachy czołowej, najpierw wzdłuż spoin poziomych pasa rozciąganego dwuteowego rygla, a następnie przy spoinach pionowych łączących środnik rygla, począwszy od miejsca połączenia z pasem rozciąganym.
Stopniowemu pękaniu blachy czołowej towarzyszył spadek siły w siłowniku i redystrybucja sił przekrojowych w lokalnie zdegradowanym schemacie statycznym ramy próbnej. Węzły słupów skrajnych ulegały znacznie mniejszym deformacjom i nie wykazywały zniszczenia.
a) b)
Pionowe przemieszczenie slupa srod kowego [m m]
Pionowe obciążenie słupa środkowego, F [kN]
Ram a_1
Pionowe przemieszczenie slupa srod kowego [m m]
Pionowe obciążenie słupa środkowego, F [kN]
Rama_ 3 Rama_ 4
Rys. 7. Zależność pomiędzy pionowym przemieszczeniem słupa środkowego, a siłą obciążającą; a) ramy o węzłach z blachami czołowymi zlicowanymi, b) ramy o węzłach z blachami czołowymi wystającymi
Węzły ramy nr 3 charakteryzowały się większą nośnością niż ramy nr 1 i odmiennym mechanizmem zniszczenia. Uplastycznienie blachy czołowej węzła słupa środkowego i jej pękanie następowało przy sile ok. 90 kN i mniejszych wartościach przemieszczeń niż w przypadku ramy nr 1, a towarzyszący temu spadek siły powodował znaczną redystrybucję sił przekrojowych i uplastycznienie blach czołowych węzłów słupów skrajnych. Sytuacja ta, dzięki większej sztywności węzłów z blachami wystającymi, wymusiła bardziej równomierny rozkład momentów w węzłach i możliwość osiągnięcia dużych odkształceń konstrukcji przy wzroście siły ponad wartość sygnalizującą pękanie blachy czołowej węzła słupa środkowego (do ok. 130 kN).
Badania doświadczalne ram poddanych oddziaływaniom wyjątkowym 167 Zachowanie się węzłów zespolonych ram próbnych nr 2 i 4 badano w fazie eksploatacyjnej i w fazie usunięcia słupa środkowego. Ujemna wartość siły towarzysząca zerowej wartości przemieszczenia słupa środkowego jest reakcją podpory od pełnego obciążenia przęseł ram blokami betonowymi. Z chwilą rozpoczęcia procesu symulacji usunięcia słupa i realizacji stopniowego przyrostu pionowego przemieszczenia słupa środkowego, reakcja podpory ulegała redukcji. W przypadku węzłów z blachami czołowymi zlicowanymi nie było możliwości uzyskania stanu trwałej równowagi charakteryzującej się zerową wartością siły przy zwolnieniu podwieszenia słupa do siłownika. Przy każdorazowym dochodzeniu do zerowej wartości siły następowało gwałtowne pękanie blachy czołowej, redystrybucja sił przekrojowych i pojawienie się nowego stanu równowagi chwiejnej przy pewnej wartości siły ujemnej. Sytuacja ta sygnalizuje brak wystarczającej odporności węzłów do uzyskania wymaganej nośności konstrukcji ze względu na postępującą katastrofę. Rama nr 4 ma zupełnie odmienną charakterystykę, co pozwala na stwierdzenie, że węzły z blachami wystającymi pozwalają na zapewnienie konstrukcji wystarczającej odporności w sytuacjach oddziaływań wyjątkowych.
Na (rys. 8) pokazano deformacje rygli ram po zakończeniu badań, zaś na (rys. 9) charakter zniszczenia połączeń rygla ze słupem.
a) b)
Rys. 8. Deformacja rygla ram próbnych p o zakończeniu badań; a) rama stalowa nr 1, b) rama zespolona nr 4
Rys. 9. Charakter zniszczenia węzła słupa środkowego; a) rama stalowa nr 1, b) rama zespolona nr 4
a) b)
M. Giżejowski, B. Saleh, A. Kozłowski, Z. Pisarek, L. Ślęczka 168
6. UWAGI KOŃCOWE
Przedstawiono badania doświadczalne zachowania się węzłów stalowych i zespolonych w ramach poddanych oddziaływaniom wyjątkowym. Głównym przedmiotem obserwacji było śledzenie wpływu odkształcalności i nośności węzłów na globalne zachowanie się konstrukcji i powstający mechanizm jej zniszczenia.
Podziękowania
Badania wykonano w ramach projektu międzynarodowego niewspółfinansowanego 457/N-COST/2009/0 kierowanego przez Politechnikę Warszawską. Koszt elementów próbnych został pokryty przez Ambasadę Libijską (instytucję sponsorującą studia doktoranckie drugiego ze współautorów referatu). Badania przeprowadzono w Wydziałowym Laboratorium Badania Konstrukcji Politechniki Rzeszowskiej. Do badań wykorzystano aparaturę zakupioną w projekcie nr POPW.01.03.00-18-012/09 z Funduszy Strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Piśmiennictwo
[1] PN-EN 1990 Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji. PKN, Warszawa 2004.
[2] PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3 - Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PKN, Warszawa, 2006.
[3] PN-EN 1994-1-1 Eurokod 4 - Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PKN, Warszawa, 2008.
[4] Starosstek U., Wolff M.: Progressive Collapse: Design Strategies. Proceedings of the IABSE Symposium 2005, Lisbon.
[5] Rölle L., Kuhlmann U.: Partial-strength and highly ductile steel and composite joints as robustness measure. Proceedings of the Nordic Steel Conference, 2009.
[6] Kuhlmann U., Rölle L., Jaspart J-P., Demonceau J-F.: Robustness – Robust structures by joint ductility. Proceedings of the COST C-26 Workshop, Prague, 2007.
[7] Demonceau J-F., Jaspart J-P.: Experimental test simulating a column loss in composite frame. Advanced Steel Construction: An International Journal, Vol. 6, No.3, pp.891-913, 2010.
[8] Barcewicz W.: Sztywność, nośność i zdolność do obrotu pewnej klasy węzłów w konstrukcjach stalowych ze stropami zespolonymi. Rozprawa doktorska, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska 2010.
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE FRAME BEHAVIOUR SUBJECTED TO EXCEPTIONAL ACTIONS
Summary
The paper describes subframe specimens, test procedures and some results of experimental investigations of the behaviour of multi-bay and multi-storey frames subjected to a static removal scenario of their internal column. Four subframe specimens in technical scale were tested. Two were steel specimens, one with flush end plate joints and the other – with extended end plate joints. Two were composite specimens created by a steel-concrete composite beam of a reinforced slab cast on deep profiled sheeting. The main objective of the study was to experimentally observe the behaviour of joints in terms of their ductility and failure mechanisms that may affect the robustness of skeleton buildings.
ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ Nr 283 Budownictwo i Inżynieria Środowiska z 59 (3/12/II) 2012
Piotr IWICKI1
Marcin KRAJEWSKI2 Politechnika Gdańska