VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Расчёт железобетонных изгибаемых элементов – балок и балок-стенок – по наклонным сечениям в Нормах предполагает раздельный расчёт на действие изгибающих моментов и поперечных сил, что противоречит экспериментальным данным об их совместном взаимном влиянии на НДС конструкций. Кроме того, в качестве одной из предпосылок в Нормах используется гипотеза плоских сечений, которая, как показывают эксперименты, не применима в классической постановке. Необходимо её уточнение. В связи с этим исследования по предложенной теме являются актуальными.

Целью исследований ставилось численно получить напряжённо-деформированное состояние железобетонных балок и балок-стенок с различными геометрическими, статическими и физическими параметрами и сравнить их с экспериментальными результатами других авторов. Это позволило провести тестирование предлагаемой методики компьютерного моделирования. Отметим, что мощным инструментом в руках инженера-исследователя для решения подобных задач является метод конечных элементов, реализованный в различных программных комплексах. Наилучшим образом, на наш взгляд, он реализован в ПК «Ansys», который позволяет задавать в качестве расчётных любые типы диаграмм деформирования бетона и арматуры, включая предложенные в работах [1,2].

Методика компьютерного моделирования включала в себя следующие основные этапы:

1 – задание типа конечных элементов (КЭ): объёмный КЭ Solid65 – для бетона; стержневой КЭ Link180 – для стальной продольной и поперечной арматуры, объёмный КЭ Solid185 – для стальных пластин под грузовой и опорной площадками;

2 – определение свойств материалов (для удобства последующего анализа результатов на данном этапе методики прочностные и деформационные параметры рекомендуется задавать в [МПа]=[Н/мм²]):

– для бетона (Solid65) – начальный модуль деформаций E и коэффициент Пуассона ν, параметры предельной поверхности согласно теории Вильяма-Варнке: коэффициент сцепления бетонных берегов трещины при её раскрытии – 0,2, и закрытии – 0,8, предел прочности при растяжении R_btn, остальные параметры при отсутствии дополнительных экспериментальных данных задаются по умолчанию самой программой; диаграмма деформирования бетона при сжатии – может быть применена любая, в том числе с ниспадающей ветвью, которая предложена в работах [1,2] (задаётся по точкам в координатах «σ-ε», рекомендуется не менее 3-х точек для каждой ветви);

– для стали арматурных стержней – продольных и поперечных (Link180): начальный модуль деформаций E и коэффициент Пуассона ν, диаграмма деформирования, которая также может иметь любое очертание, но для удобства её построения и улучшения сходимости нелинейного расчёта можно принять двухлинейную диаграмму Прандтля;

– для стали опорных и грузовых пластин: начальный модуль деформаций E и коэффициент Пуассона ν, взаимосвязь между напряжениями и деформациями определяется линейным законом Гука.

3 – из нескольких объёмных тел (Volumes) создаётся геометрическая модель, таким образом, чтобы линии пересечения этих тел (Lines) служили при дальнейшем моделировании арматурным стержнями (продольными и поперечными); в силу симметрии задачи достаточно строить геометрическую модель только половины конструкции; в случае задания свойства материалов в п. 2 в [МПа]=[Н/мм²], все геометрические размеры модели на данном этапе следует задавать в [мм];

4 – выполняется разбивка объёмов (Volumes) на конечные элементы (операция Mesh), размер которых по результатам наших предварительных расчётов рекомендуется принимать не более 1/6 и не менее 1/10 от ширины сечения конструкции (наименьшего размера);

5 – назначаются граничные условия – нагрузки (задаётся в [Н/мм²], [Н/мм] и [Н] и может быть принята по результатам предварительного расчёта согласно действующим нормам проектирования либо из эксперимента) и связи; при этом нами установлено, что для обеспечения устойчивости и сходимости нелинейного расчёта следует помимо наложения связей по горизонтальной (Ox) и вертикальной (Oy) оси в месте опирания конструкции закрепить ещё одну из боковых граней конструкции по оси Oz, чтобы предотвратить её опрокидывание из своей плоскости (с точки зрения строительной механики такая связь является избыточной, однако она необходима для расчёта в ПК «Ansys»);

6 – настраивается процессор нелинейного расчёта – Solution Controls (с применением итерационного метода Ньютона-Рафсона): время к концу нагружения конструкции (Time at the end loadstep) рекомендуется принимать равным величине нагрузки без учёта размерностей; количество шагов разбивки нагружения (Time step size) – 100, минимальное количество шагов (Minimum time step) – 50, максимальное (Maximum time step) – 1000;

7 – производится расчёт и последующий анализ результатов.

Ниже для проверки достоверности результатов компьютерного моделирования по предлагаемой методике приведено их сравнение с экспериментальными данными для балки [4] и балки-стенки [5]. Разница в данных для балки не превышает 4%, а для балки-стенки – 15%.

Сравненние компьютерного моделирования с физическим экспериментом

Параметр	Балка				Балка-стенка
	Ansys	Опыт	Ansys/ Опыт*100%	Ansys		Опыт	Ansys/ Опыт*100%
Разрушающая нагрузка, кН	77,99	80,15	4%	152,8		180,1	15%
Максимальный прогиб, мм	3,681	3,798	4%	3,8		3,3	15%

Таким образом, выполнена проверка достоверности предложенной методики компьютерного моделирования путём сравнения полученных результатов с экспериментом. Установлено хорошее совпадение данных: разница в результатах для балки не превышает 4%, а для балки-стенки – 15%. Таким образом, методика моделирования может быть использована для дальнейших исследований.

Список литературы

1. Карпенко Н.И., Соколов Б.С., Радайкин О.В. К совершенствованию диаграмм деформирования бетона для определения момента трещинообразования и разрушающего момента в изгибаемых железобетонных элементах // Журнал «Строительство и реконструкция». – Орёл: Изд. ОГТУ, 2012, №2. – С. 10-16.

2. Карпенко Н.И., Соколов Б.С., Радайкин О.В. Анализ и совершенствование криволинейных диаграмм деформирования бетона для расчета железобетонных конструкций по деформационной модели // Журнал Промышленное и гражданское строительство. – М., 2013, №1. – С. 25-27.

3. Соколов Б.С. Прочность и трещиностойкость стеновых панелей зданий: Монография. – Москва, Издательство АСВ, 2010. – 139 с.

4. Shaishav R. Viradiya, Tarak P. Vora Comparative study of experimental and analytical results of FRP strengthened beams in flexure // International Journal of Research in Engineering and Technology Volume: 03 Issue: 04 Apr-2014, pp. 555-561 11.

5. Dr. Pandurang S. Patil, Girish V. Joshi Experimental Study of Behavior of R.C.C. Deep Beams // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering – Volume 4, Issue 7, July 2014, pp 801-805 12.

Код для цитирования: Скопировать