METODY BADAŃ ODPORNOŚCI KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH NA OBCIĄŻENIA SEJSMICZNE METHODS OF TESTING OF RC STRUCTURES RESISTANCE AGAINST SEISMIC LOADINGS

Transkrypt

1 JACEK KORENTZ METODY BADAŃ ODPORNOŚCI KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH NA OBCIĄŻENIA SEJSMICZNE METHODS OF TESTING OF RC STRUCTURES RESISTANCE AGAINST SEISMIC LOADINGS Streszczenie Odwzorownie oddziływń sejsmicznych w bdnich doświdczlnych wymg zngżowni odpowiednich środków technicznych i stosowni dosyć skomplikownych procedur bdwczych. Z tego względu w bdnich doświdczlnych wymuszne są obciążeni powolne (qusi-sttyczne) o zmiennym znku i wzrstjącej mplitudzie, wywołujące deformcje podobne do tych, jkie występują podczs wstrząsów sejsmicznych. Informcje uzyskne w tkich bdnich są brdzo istotne, pozwlją n nlizę zchowni globlnego i loklnego konstrukcji, ocenę ciągliwości, redukcji sztywności, czy też ocenę włściwości tłumieni. W niniejszym rtykule przedstwiono procedury bdwcze stosowne w bdnich orz metody interpretcji uzysknych wyników. Słow kluczowe: konstrukcje żelbetowe, ciągliwość, tłumienie, sztywność Abstrct The seismic performnce of reinforced concrete structures is highly dependent on the hysteretic behvior of their members. The ssessment of this behvior cn be done by mens of experimentl testes. An overview of experimentl methodologies for cyclic testes is presented. Cyclic loding impose in qusi-sttic wy is, thus, the most commonly used methodology to study the cyclic behvior of reinforced members nd it especilly suitble for prmetric studies or to compre different solution regrding structurl member. The quntities used in the rtios re deduced from the force-displcement curve nd re obtined for cycles with displcement lrger thn the reference elstic displcement. The control prmeters for typicl cycle re: ductility rtio, resistnce rtio, rigidity rtio, bsorbed energy rtio nd dmping rtio. Keywords: RC structures, ductility, dmping, stiffness Dr inż. Jcek Korentz, Instytut Budownictw, Wydził Inżynierii Lądowej i Środowisk, Uniwersytet Zielonogórski.

2 66 1. Wstęp Współczesne metody projektowni konstrukcji n terench ktywnych sejsmiczne opierją się n koncepcji kontrolownych szkód. Budowle mogą doznć istotnych uszkodzeń, jednk musi być zchown ich resztkow (pozostł) nośność po ustniu oddziływń sejsmicznych tk, by życie ludzkie było ochronione, urządzeni i instlcje zchowły odpowiednią sprwność. Według Eurocodu 8 [1] budowle powinny mieć odpowiednią zdolność do rozprszni energii bez zsdniczej redukcji ogólnej wytrzymłości n dziłnie obciążeń poziomych i pionowych. Pondto globlnej ciągliwości ustroju m towrzyszyć ciągliwość lokln, ustrój z miejscmi uplstycznieni musi zchowć stteczność z wystrczjącym stopniem bezpieczeństw. Z powyższych względów znczn część bdń doświdczlnych z zkresu odporności żelbetowych konstrukcji prętowych n obciążeni sejsmiczne poświęcon jest zgdnieniom dotyczącym ksztłtowni zbrojeni w strefch przegubów plstycznych, których zchownie się decyduje o nośności i ciągliwości konstrukcji. W rtykule omówiono dwie metody bdń odporności prętowych konstrukcji żelbetowych n obciążeni sejsmiczne. Są to bdni dynmiczne i bdni sttyczne, w których wymusz się cykliczne przemieszczeni. Przedstwiono również niektóre miry odporności konstrukcji n obciążeni cykliczne, które mogą mieć zstosownie do oceny projektownych rozwiązń konstrukcyjnych, czy też prognozowni zchowni się konstrukcji. 2. Obciążeni sejsmiczne i ich skutki Trzęsienie ziemi określ się jko drgni gruntu spowodowne przez ngłe wyzwolenie energii odksztłceń skumulownych w skorupie w górnym płszczu ziemi podczs zjwisk poślizgu w uskoku geologicznym. W skrjnych przypdkch przyspieszeni gruntu są zbliżone do przyspieszeni ziemskiego, mplitudy przemieszczeń mogą dochodzić do kilkudziesięciu centymetrów. Ryc. 1. Uszkodzeni słupów żelbetowych podczs trzęsieni ziemi Fig. 1. Dmges of RC columns during erthquke

3 Wstrząsy sejsmiczne stnowią dl konstrukcji powżną próbę, podczs której jej słbe miejsc są uwidocznione. W zleżności od rodzju elementu konstrukcyjnego i miejsc jego usytuowni w obiekcie może nstąpić uszkodzenie o stosunkowo niegroźnych nstępstwch, w skrjnych przypdkch uszkodzeni te mogą doprowdzić do ktstrofy. N rycinie 1 przestwiono przykłdy uszkodzeni i zniszczeń różnych prętowych elementów żelbetowych Metody bdń doświdczlnych Wstrząsy sejsmiczne wywołują w konstrukcjch budowlnych siły bezwłdności, te z kolei nprężeni, które są zmienne w krótkim czsie, zrówno pod względem wielkości, jk i znku. Dokłdne odwzorownie oddziływń sejsmicznych w bdnich doświdczlnych jest brdzo trudne, poniewż wymg zngżowni odpowiednich środków technicznych i stosowni dosyć skomplikownych procedur bdwczych. Tym niemniej bdni dynmiczne elementów konstrukcji i cłych obiektów są prowdzone w wrunkch lbortoryjnych n pltformch wibrcyjnych [3, 7]. N rycinie 2 pokzno stnowisko bdwcze i frgment wyników bdń słupów żelbetowych poddnych obciążeniom sejsmicznym [3]. N stnowisku bdwczym (ryc. 2) możliwe jest wymuszenie dowolnego impulsu. N rycinie 2 przedstwiono element bdwczy już po zkończeniu bdń. W przeprowdzonych bdnich wykorzystno zpis przyspieszeń gruntu znotownych podczs trzęsieni ziemi w Vlprizo (Chile) w 1985 r. Mksymlne przyspieszenie gruntu wynosiło 0,7 g, czs trwni wstrząsów 65 s. N rycinie 2b zilustrowno odpowiedź bdnego elementu n zdne wymuszenie w formie wykresu zleżności sił poprzeczn przemieszczenie. W bdnich tych wielkościmi mierzonymi poz przemieszczenimi były przyspieszeni, odksztłceni (betonu i zbrojeni) orz deformcje postciowe, co dje brdzo obszerny obrz zchowni się bdnego elementu w kżdej chwili zdnego impulsu. ) b) Ryc. 2. ) element n stole wibrcyjnym, b) zleżność sił poprzeczn przemieszczenie Fig. 2. ) test specimen on shke tble, b) specimen 1 bse sher hysteretic response

4 68 W zdecydownej większości przypdków bdni odporności konstrukcji n obciążeni sejsmiczne są prowdzone w ten sposób, że wymuszne są obciążeni powolne (qusi- -sttyczne) o zmiennym znku i wzrstjącej mplitudzie, wywołujące deformcje podobne do tych, jkie występują podczs wstrząsów sejsmicznych. Wnioski z tych bdń są przenoszone do oceny wpływu obciążeń sejsmicznych. Różnic między bdnimi dynmicznymi bdnimi sttycznymi poleg przede wszystkim n prędkości wymusznych przemieszczeń, le również n przebiegu przemieszczeń w czsie. Mimo to wyniki bdń sttycznych są mirodjne. ) b) c) ) b) c) - c - c - c Ryc. 3. Typowe historie wymusznych przemieszczeń podczs bdń Fig. 3. Typicl kinemtic excittions in tests (displcements controlled) W bdnich stycznych prędkość wymusznych obciążeń cyklicznych wh się w grnicch od kilku do kilkunstu milimetrów n sekundę, co w zleżności od wrtości wymusznych przemieszczeń odpowid częstotliwości od kilku setnych do kilku tysięcznych Herzów. Bdni dotyczące wpływu prędkości wymusznych obciążeń n uzyskiwne wyniki pokzują, że nie jest on zbyt duży. Arkw i Ari [2] n podstwie bdń słupów żelbetowych stwierdzją, że sposób ich zniszczeni, poziom obciążeń uplstycznijących i nośność w brdzo niewielkim stopniu zleżły od prędkości obciążeń. Ntomist według Shh i innych [12] prędkość wymusznych obciążeń mił wpływ n ilość rozprsznej energii i tłumienie dopiero dl njwiększej mplitudy wymusznych przemieszczeń. N rycinie 3 pokzno njczęściej stosowne historie obciążeni, w których wymuszne są przemieszczeni cykliczne o rosnącej mplitudzie. Cykle wymusznych przemieszczeń mogą być symetryczne (ryc. 3, b) lub niesymetryczne (ryc. 3c), dl poszczególnych mplitud przemieszczeni może nstępowć kilkkrotne powtórzenie cykli (ryc. 3). Zzwyczj już w pierwszym cyklu osiągnięte są już deformcje plstyczne. Wybór historii obciążeni zleży od rodzju elementu i prmetrów bdnych elementów. Przedstwiony przebieg wymusznych przemieszczeń odbieg od rzeczywistej historii obciążeni, któr występuje podczs wstrząsów sejsmicznych czy też bdń dynmicznych. Wyniki bdń wpływu historii obciążeni n zchownie się słupów i belek żelbetowych [5, 9] pokzują, że globlne zchownie się bdnych elementów w niezncznym stopniu zleży od historii obciążeni. N rycinie 4 zilustrowno zchownie się wspornikowych belek żelbetowych o cyklch obciążeni symetrycznych (ryc. 4) i niesymetrycznych (ryc. 4b, c) [9]. N podstwie wykresów z ryc. 4 możn stwierdzić, że nośność wszystkich belek był wystrczjąc dl mplitudy przemieszczeń w grnicch 7,5 9,0 cm.

5 ) b) c) V (kn) ) 40 V (kn) b) 40 V (kn) c) ok. 9.0cm (cm) ok. 8.0cm (cm) ok. 7.5cm Ryc. 4. Zchownie się belek żelbetowych w przypdku różnych historii obciążeni Fig. 4. Behvior of reinforced concrete bems under different loding histories Podstwowymi wielkościmi mierzonymi podczs bdń stycznych są: przemieszczenie i obciążenie. Pondto wielkościmi mierzonymi są odksztłceni betonu i prętów zbrojeniowych, deformcje postciowe, kąty obrotu, przy czym pomiry tych wielkości mogą być utrudnione, czsem niemożliwe w strefie przegubu plstycznego po wystąpieniu istotnych uszkodzeń elementu. (cm) V 4. Wyniki bdń sttycznych i ich interpretcj Ogóln odpowiedź bdnej konstrukcji lub elementu n wymuszne obciążeni cykliczne może być brdzo różn (ryc. 5). N rycinie 5 pokzno przypdek, w którym cykle przebiegją w sposób stły wokół linii szkieletowej zbudownej dl obciążeni monotonicznego. Sztywność i nośność nie ulegją obniżeniu. Tkie zchownie jest chrkterystyczne dl konstrukcji metlowych i elementów żelbetowych przed uplstycznieniem zbrojeni. N rycinie 5b przedstwiono przypdek njbrdziej pożądny z punktu widzeni odporności konstrukcji n obciążeni cykliczne. Nstępuje tutj obniżenie sztywności bez spdku nośność. Tkim zchowniem chrkteryzują się belki żelbetowe poddne czystemu zginniu. N rycinie 5c zilustrowno przypdek gdzie nie tylko sztywność, le i nośność obniżją się z cyklu n cykl. Jest to typowe zchownie dl elementów żelbetowych poddnych zginniu z udziłem dużych sił podłużnych lub elementów o młym wskźniku ścinni. N podstwie przebiegu poszczególnych pętli histerezy i ich ksztłtu możn zidentyfikowć wiele brdzo istotnych zjwisk zchodzących podczs obciążeń cyklicznych. N rycinie 6 przedstwiono typowy wykres zleżności obciążenie przemieszczenie żelbetowej belki wspornikowej z historii obciążeni przedstwionej n ryc. 3c, przy czym w przypdku kżdej mplitudy przemieszczeń nstępowło dziesięciokrotne powtórzenie cykli. W pewnym zkresie przemieszczeń wierzchołki pętli histerezy dl pierwszych powtórzeń cykli pokrywją się z krzywą dl obciążeni monotonicznego. Powtrznie cykli obciążeni dl początkowych mplitud przemieszczeń powoduje niewielki spdek obciążeni w drugim i trzecim cyklu obciążeni. Po trzecim cyklu nstępuje stbilizcj obciążeni (szczegół 5). Zwężenie pętli histerezy (szczegół 2) jest wynikiem niesymetrycznego zbrojeni podłużnego belki; widoczny wzrost sztywności przy obciążeniu skierownemu do dołu jest spowodowny zmknięciem się rysy po stronie słbszego zbrojeni. Widoczne jest również zokrąglenie pętli histerezy (szczegół 1) w tej fzie prcy belki obciążeni

6 70 przenosi smo zbrojenie (rysy po obydwu stronch są otwrte), które uległo uplstycznieniu. Postępujący z cyklu n cykl spdek obciążeni (szczegół 3) jest spowodowny wyboczeniem zbrojeni, poprzedzonym odspojeniem otuliny. Skokowy spdek obciążeń skierownych ku górze (szczegół 4) jest spowodowny zerwniem poszczególnych prętów zbrojeni podłużnego. ) b) c) ) V b) V c) V, M,φ Ryc. 5. Zchownie się konstrukcji pod wpływem obciążeń cyklicznych Fig. 5. Behvior of structures under cyclic loding 40 V (kn) obciążenie monotoniczne (cm) V + - V - + Ryc. 6. Zleżność obciążenie ugięcie belki żelbetowej obciążonej cyklicznie Fig. 6. Lod-deflection reltionship of reinforced concrete bem under cyclic loding N rycinie 7 przedstwiono fotogrfie stnu uszkodzeń rygl rmy i słup zrobione w trkcie bdń doświdczlnych [8, 13]. W obydwu przypdkch wyczerpnie nośności bdnych elementów nstąpiło po wyboczeniu prętów zbrojeni podłużnego. Możn zuwżyć, że obrz przedstwionych uszkodzeń uzysknych w bdnich doświdczlnych przy powolnych obciążenich cyklicznych jest podobny do obrzu uszkodzeń elementów 1

7 żelbetowych spowodownych trzęsienimi ziemi (ryc. 1) i podczs bdń dynmicznych (ryc. 2). ) b) 71 Ryc. 7. Wyboczenie prętów podczs bdń doświdczlnych Fig. 7. Buckling of longitudinl brs during tests 5. Miry odporności konstrukcji n obciążeni cykliczne Ocen zchowni się konstrukcji żelbetowych poddnych obciążeniom cyklicznym jest możliw n podstwie przyjętych mir odporności n tego typu obciążeni. Zzwyczj stosowne są miry dotyczące oceny ciągliwości (μ) i zdolności do rozprszni energii (ξ, E d ), pondto stosowne są miry chrkteryzujące zminy nośności (ν) i sztywności (κ) bdnych elementów (ryc. 8). Element konstrukcyjny jest określny jko ciągliwy, jeżeli uleg deformcjom plstycznym bez istotnego spdku nośności. Ciągliwość możn nlizowć n poziomie przekroju, elementu konstrukcyjnego lub cłej konstrukcji, wykorzystując np. współczynnik ciągliwości przemieszczeń, określny n podstwie obwiedni pętli histerezy. ) b) ) b) ν V 1 obwiedni petli histerezy E di V y V i k s E yi k i i u u μ = y ξ = 2π 1 E di E yi 1 κ E di V ν = i Vy κ = k i k s μ μ μ Ryc. 8. Miry odporności konstrukcji n obciążeni cykliczne Fig. 8. Mesures of structurl resistnce on cyclic loding

8 72 Pole powierzchni pętli histerezy wyrż ilość rozproszonej energii podczs jednego cyklu obciążeni. W ocenie zdolności do rozprszni energii przez bdne elementy nlizie możn poddć cłkowitą ilość rozproszonej energii, ilość rozprsznej energii w jednym cyklu, umowne wskźniki rozproszeni energii, które njczęściej normlizują cłkowitą ilość rozproszonej energii względem mksymlnej energii deformcji sprężystych [6, 10, 11] lub współczynnik tłumieni krytycznego ξ. Pondto zdolność konstrukcji do przenoszeni wstrząsów sejsmicznych może być określn n podstwie spodziewnych stnów uszkodzeń konstrukcji po trzęsieniu ziemi. Stn tych uszkodzeń może być określny przez zstosownie jednego z wielu wskźników uszkodzeń, których przegląd i opis możn znleźć w prcy Ghobrh i innych [3]. 6. Podsumownie Anliz odporności konstrukcji żelbetowych n obciążeni sejsmiczne może być przeprowdzn n podstwie bdń dynmicznych i bdń sttycznych, w których wymuszne są obciążeni cykliczne. Tk procedur bdń, chociż nie odzwierciedl rzeczywistych oddziływń sejsmicznych, jest powszechnie stosown. W bdnich stycznych nie m w zsdzie ogrniczeni wielkości bdnych elementów i mogą być one prowdzone n elementch w skli rzeczywistej. Sposób zniszczeni elementów podczs tych bdń jest nieml identyczny jk uszkodzeni i zniszczeni podczs trzęsień ziemi i bdń dynmicznych. Informcje uzyskne w bdnich stycznych pozwlją między innymi n nlizę zchowni globlnego i loklnego. N ich podstwie możn również dokonć oceny ciągliwości orz zdolności do rozprszni energii i tłumieni drgń orz ocenić zminy sztywności i nośności. Litertur [1] Eurocode 8, Erthquke resistnt design of structures, ENV [2] Arkw T., Ari Y., Effects if the rte of cyclic loding on the inelstic behvior of R/C columns, 8-th Word Conference on Erthquke Eng., Vol. 6, Sn Frncisco 1984, [3] Elwood J.K., Moehle J.P., Shke tble tests nd nlyticl studies on the grvity lod of reinforced concrete frmes, PEER Report 2003/01, University of Cliforni, Berkeley [4] Ghobrh A., Abou-Elfth H., Biddh A., Response-bsed dmge ssessment of structures, Erthquke Engineering nd Structurl Dynmics, 28, 1999, [5] I n c i n o s e T., U m e m u r H., Effect of loding history on ductility of RC columns, The Fifth US-Jpn Workshop on Performnce-Bsed Erthquke Engineering Methodology for RC Building Structures, Hkone, Jpn, 2003, [6] Jiuru T., Chobin H., Kijin Y., Yongcheng Y., Seismic behvior nd sher strength of frmed joint using steel-fiber reinforced concrete, Journl of Structurl Engineering, 118(2), 1992,

9 [7] Juhsov E., Zembty Z., Kowlski M., Experimentl investigtions of dynmic effect on brick msonry building nd their strengthening, Archives of Civil Engineering, XLVI(1), 2000, [8] Korentz J., Odporność stref przyporowych rygli rm żelbetowych n obciążeni cykliczne, prc doktorsk, Instytut Budownictw, Politechnik Wrocłwsk, [9] Korentz J., Wpływ historii obciążeni n ciągliwość elementów żelbetowych, XLIV Konferencj Nukow KILiW PAN i KN PZiTB, Poznń Krynic 1998, t. 4, [10] N m i Ch.K., D r w i n D., Lightly reinforced concrete bems under cyclic lod, ACI Journl, September October 1986, [11] S c r i b n e r Ch.F., W i g h t J.K., Strength decy in R/C bems under lod reversls, Journl of Structurl Division, ASCE, 1980, 106(ST4), [12] S h h S.P, W n g M.-L., C h u n g L., Model concrete bem-column joins subjected to cyclic loding t two rtes, Mterils nd Structures, 20, 1987, [13] Y e h Y.-K., M o Y.L., Y n g C.Y., Seismic performnce of rectngulr hollow bridge columns, Journl of Structurl Engineering, 128(1), 2002,