Проектирование железобетонных конструкции с учетом нагельного эффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование железобетонных конструкции с учетом нагельного эффекта

А.А. Новиков, М.А. Хилай, А.Н. Магдалинский, ДВГУПС

Абстракт

В работе представлен анализ напряженно-деформированного состояния различных железобетонных конструкций, выполненный при помощи программных комплексов для твердотельного моделирования. Использование данных программных комплексов позволяет получить более точные данные о взаимодействии арматуры с матрицей бетона, а также распределении усилий в узлах соединения железобетонных конструкций. Поскольку в отечественной практике многие узлы сопряжения принимаются конструктивно, предполагается, что более детализированное их моделирование позволит увеличить несущую способность строительных конструкций при различных нештатных ситуациях, не оказывая при этом существенного влияния на их стоимость.

Ключевые слова: нагельный эффект, монолитные железобетонные конструкции, твердотельное моделирование, физическая нелинейность материала.

Abstract

Design of reinforced concrete structures accounting dowel effect

Novikov A.A., Khilai M.A., Magdalinskiy A.N., FESTU

In the article presented stress - stain analysis of reinforced concrete structures, made with software package for solid modeling. Despite the fact that these software systems are created for mechanical engineering, thanks to flexible settings, assembling visualization and making separate model of concrete and reinforcement obtain more accurate data about their interaction, and about stress distribution in interface nodes. In Russian practice of designing, many interface nodes are taken constructively. More detailed design will increase strength in emergency situations without increasing cost.

Key words: dowel effect, monolithic reinforced concrete structures, solid modeling, material nonlinearity.

Введение

В современном гражданском строительстве все большее предпочтение отдают монолитным железобетонным конструкциям. Благодаря этому в мегаполисах с каждым днем все больше развивается высотное строительство. Проектирование данного типа сооружений включает ряд трудностей, таких как: соблюдение требований, предъявляемых к зданию, обеспечение прочности и устойчивости на действие статических и динамических загружений, а также действие особых загружений (сейсмика, террористические акты), вызывающих прогрессирующее обрушение.

Улучшение методик расчета с помощью метода конечных элементов позволяет при проектировании рассматривать ранее не учитываемые аспекты. Их учет может позволить увеличить прочность конструкции без существенного увеличения её стоимости. Одним из неучтенных аспектов является расчет продольной арматуры на действие поперечных усилий в приопорных участках - т.н. “нагельный эффект”, являющийся наиболее спорным, поскольку нет единого мнения среди исследователей относительно того, существует ли он вообще, а если и существует, то какова его роль в передаче усилий при срезе [1, с. 223-232]. Появление возможностей его учета может позволить увеличить несущую способность конструкций в нештатных ситуациях, не применяя при этом сложных технических решений.

Предлагаемый в данной статье способ учета нагельного эффекта при проектировании конструкций - моделирование их поведения в расчетных комплексах, предназначенных для твердотельного моделирования в машиностроении, позволяющих рассматривать армирование и матрицу в композитных материалах дискретно.

Целью настоящей работы является анализ НДС узлов различных железобетонных конструкций, смоделированных в программных комплексах для твердотельного моделирования c целью выявления нагельного эффекта арматуры в прио- порных участках железобетонных балок и сопряжения свай с плитой ростверка, влияния на него различных схем армирования и учета нелинейной работы материала матрицы бетона.

Для моделирования конструкций использовался программный комплекс SolidWorks. Несмотря на то, что данный программный комплекс создан для проектирования в области машиностроения, в последнее время его все чаще начинают использовать в области строительства и архитектуры. Методы визуализации сборок позволяют избежать больших зазоров и неточностей при возведении зданий и сооружений. Наличие модуля расчета с помощью метода конечных элементов Simulation позволяет производить расчеты на прочность не только у отдельных деталей, но и у сборок. Сущность расчета железобетонных конструкций в SolidWorks Simulation состоит в создании отдельных моделей матрицы и армирования в железобетоне. Функционал программного комплекса позволяет анализировать взаимодействие между материалом матрицы и армирования, а также настроить контакты между поверхностями (далее в работе во всех моделях принималось жесткое защемление по всей длине стержня).

1. Учет нелинейной работы материала матрицы

В большинстве расчетов по методам сопротивления материалов и строительной механики используется линейная зависимость между напряжениями и деформациями материала, так называемый закон Гука. Нелинейные задачи характеризуются нелинейной зависимостью между действующими факторами и реакцией на них системы. Кроме того, нередко граничные условия (приложенные нагрузки и перемещения) изменяются во времени [3, с27]. Зависимости между напряжениями и деформациями могут задаваться с помощью нелинейных функций, а также кусочно-линейными зависимостями. Данные для кусочно-линейных зависимостей в большинстве случаев являются эмпирическими.

Для оценки влияния на результаты расчета использования нелинейной зависимости деформирования материала матрицы в программном комплексе Solid- Works была создана модель свайного ростверка с геометрическими характеристиками, представленными на рис. 1.

Рис. 1 Геометрические характеристиками свайного ростверка

Армирование в ростверке задавалось дискретно, путем жесткого защемления армирующих стержней в теле ростверка при помощи инструмента создания сборок SolidWorks (рис. 2).

Диаграмма напряжения-деформации материала использована как для бетона марки B30 [2, п. 6.1.19] и представлена на рис. 3.

Характеристики материала армирования, для экономии ОЗУ при расчете, задавались с помощью линейной зависимости и представлены на рис. 4.

Рис. 2. Модели ростверка и армирования

Рис. 3. Характеристики материала матрицы.

Рис. 4. Характеристики материала армирования.

Далее модуль Simulation программного комплекса SolidWorks произвел разбивку модели на тетраэдальные конечные элементы. Линейный тетраэдральный элемент представляет собой четыре угловых узла, соединенных шестью прямыми кромками. Для структурных задач каждый узел в твердотельном элементе имеет три степени свободы, которые представляют собой перемещения в трех ортогональных направлениях [4]. Граничные условия модели и схема загружения представлена на рис. 5.

Расчет производился методом последовательных нагружений с шагом нагружения 0.1.

Рис 5. Граничные условия и схема загружения

Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений по Фон Мизесу. Сверху - при нелинейной работе материала матрицы.

При учете нелинейной работы материала матрицы максимальное значение эквивалентных напряжений по Мизесу в армирующих стержнях увеличилось на 489% (рис. 6). Критерий максимального напряжения по Мизесу основывается на теории Мизес-Хенки, также известной как теория энергии формоизменения. Теория утверждает, что пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению [5].

Рис. 7. Распределение касательных напряжений тху в приопорном участке.

При учете нелинейной работы материала матрицы касательные напряжения тху в зоне среза в среднем увеличиваются на 64% (рис. 7).

2. Распределение арматуры

Для оценки влияния схемы армирования на проявление нагельного эффекта были рассмотрены 8 моделей балок с различным расположением арматуры (рис. 8).

Рис. 8. Схемы армирования железобетонной балки

Процент армирования, граничные условия и величина нагрузки во всех моделях оставались постоянными. Размеры прямоугольного поперечного сечения - 150х300мм, величина защитного слоя - 30мм, длина балки - 1500мм. Величина опирания балки - 100мм. В месте опирания, а также по всей площади поперечного сечения установлено жесткое защемление (рис. 9), имитирующее работу балки в составе монолитного железобетонного каркаса. Характеристики материалов использовались из предыдущих расчетов (рис. 3; рис. 4). Балка и арматура рассматривались как объёмные твердые тела.

Наибольшие эквивалентные и касательные напряжения в арматуре железобетонной балки возникают в приопорных участках (рис. 10).

Рис. 9. Исследуемая модель в программном комплексе SolidWorks.

Рис. 10. Распределение напряжений в железобетонной балке.

При анализе напряженно-деформированного состояния конструкций было выявлено, что распределение арматуры не оказывает существенного влияния на распределение и величину касательных напряжений по вертикальному сечению в районе опор. Поскольку в SolidWorks Simulation отсутствует поддержка механики разрушения, трещины были заданы вручную в местах наибольших напряжений.

Условия испытаний не изменялись. Были взяты 1 и 8 модель расположения армирующих стержней как наиболее характерные (рис. 11). Трещина задавалась на расстоянии 100мм на обоих концах балки.

Рис. 11 Задание трещин

При появлении трещины распределение напряжений существенно изменяется (рис. 12). Наибольшая концентрация напряжений приходится на места появления трещин в бетоне.

Рис. 12. Распределение напряжений в местах появление трещин.

При этом, сравнивая различные схемы армирования, можно заметить, что при равномерном распределении арматуры по поперечному сечению напряжения также распределяются равномерно по всей площади поперечного сечения. Наибольшие напряжения возникают в верхних и нижних стержнях арматуры. Напряжения по фон Мизесу, возникающие в бетоне, при равномерном распределении арматуры, в среднем на 50% меньше, чем при расположении арматурных стержней только в растянутой зоне.

3. Целесообразность учета нагельного эффекта в различных конструкциях. При анализе моделей балок с различными схемами армирования и нелинейной работой материала матрицы, а также модели ростверка было выявлено, что в балках величина касательных напряжений у опор невелика по сравнению с остальными составляющими НДС. В модели ростверка величина касательных напряжений у опор достаточно велика, чтобы её можно было принимать во внимание для увеличения несущей способности конструкции. Таким образом можно прийти к выводу, что использование твердотельного моделирования может проявить свои достоинства по сравнению с традиционными способами проектирования железобетонных конструкций при оценке вероятности продавливания плит конструкциями, опирающимися на них. Это может найти применение при проектировании зданий в особых условиях, когда используются массивные фундаментные плиты для обеспечения жесткости и устойчивости каркаса здания при возведении на слабых грунтах.

железобетонный матрица армирование нагельный

Заключение

Средства для визуализации сборок и комплексы для твердотельного моделирования позволяют рассматривать матрицу и арматуру как отдельные тела. Это позволяет более точно моделировать сложные узлы сопряжений в конструкциях и принимать во внимание ранее не учитываемые факторы, такие как нагельный эффект арматуры. Учет физической нелинейности работы материалов серьезно увеличивает точность расчетов и должен в будущем заменить закон Гука. При учете нелинейной работы материала матрицы бетона увеличиваются напряжения, возникающие в арматуре в зоне среза. Распределение армирования по поперечному сечению балок улучшает передачу возникающих при срезе усилий от арматуры к матрице бетона в случаях, когда происходит возникновение трещин в матрице. Роль арматуры в передаче усилий, возникающих при срезе, наиболее высока в узлах сопряжений стержневых конструкций с плитами.

Библиографические ссылки

1. Engineering Structures. ISSN 0141-0296., Vol. 83., 2015.

2. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (с Изменениями N 1, 2, 3)

3. Алямовский А.А. // SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040с.: ил. + DVD - (Мастер).

4. Сетка на твердом теле. //Справка по SolidWorks

5. Критерий: максимальное напряжение по Мизесу. //Справка по SolidWorks

Размещено на Allbest.ru