ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Марущак Валерий Валентинович (Россия, г. Омск) – студент ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск,

пр Мира, 5, e-mail: marushak1990@bk.ru).

Троян Тамара Петровна (Россия, г. Омск)– доцент кафедры Проектирование дорог ФГБОУ ВО «СибАДИ»

(644080, г. Омск, пр Мира, 5; e-mail: tamara_troyan@mail.ru).

Kudryashova Elena Evgenyevna (Russian Federation, Omsk) – student, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: i.koks88@yandex.ru).

Marushchak Valeriy Valentinovich (Russian Federation, Omsk) – student, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: marushak1990@bk.ru).

Troyan Tamara Petrovna (Omsk, Russian Federation) – Ass. Professor, Department of Design of roads, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: ekudryashova1998@gmail.com).

УДК 69.07

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СЖАТОЙ БЕТОННОЙ ПРИЗМЫ УСИЛЕННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЙМОЙ

М.В. Мосин, А.А. Александров, Е.В. Тишков

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

ограничить или устранить поперечные деформации бетонного элемента, для увеличения его несущей способности.

Возможность практической реализации такого подхода к усилению представляет собой применения стальной обоймы (рисунок 1), состоящей из продольных уголков (устанавливаемых на ребрах колонны) и объединенных между собой поперечными связями (планками или стержнями). Наличие поперечных связей позволяет частично сдерживать поперечные деформации, а продольные уголки ограничивают эти деформации на участках между связями.

92

Рис. 1. Конструкция усиления колонны стальной обоймой

Для оценки эффекта усиления выполнен ряд теоретических расчетов. Расчетная модель представляет собой бетонную призму 10х10х60см. Характеристики бетона приняты как для бетона класса В15 при твердении в нормальных условиях. Коэффициент Пуассона– 0,2. Элементы усиления представляют собой стальные поперечные тяжи (сдерживающие поперечные деформации бетона), взаимодействующие с бетонной призмой посредством продольных стальных равнополочных уголков сечением 20х3мм, предназначенных для распределения усилия в тяжах по высоте образца. Конструкция колонны с обоймой, приведена на рисунке 1.

Расчеты моделей выполнялись по программе Лира-САПР 2013 реализующей метод конечных элементов в перемещениях.Нагрузка принята сжимающей равномерно распределенной по торцевым граням и действующей по направлению оси бетонного образца. Нагрузка прикладывалась только к бетонной части модели, без приложения нагрузки на уголки обоймы [3].

Ввиду симметрии колонны в расчетной схеме смоделирована четверть призмы, ограниченная плоскостями симметрии, а узлы, совпадающие с плоскостью симметрии, закреплены от горизонтальных перемещений. При моделировании были использованы объемные конечные элементы с размерами 1,25х1,25х1см. Узлы, расположенные на плоскости симметрии параллельной плоскости ZOX закреплены от перемещений вдоль оси Y, а узлы, расположенные на плоскости симметрии параллельной плоскости ZOY – вдоль оси X. Вертикальная связь между уголком обоймы и призмой отсутствует, тем самым в модели реализовано отсутствие сил трения в месте контакта уголка к ребру призмы [5].

В рамках исследования оценивались величины напряжений и деформаций в объемных бетонных элементах и стальных элементах усиления. В процессе анализа полученных данных производилось определение эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных характерных

объемных конечных элементах бетонной призмы (в уровне тяжей – σmax и между ними – σmin). Распределение напряжений в конечных элементах бетонного элемента отображены на рисунке 2.

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

эквивалентных напряжений, горизонтальных и вертикальных перемещений, а также усилий в тяжах металлической обоймы.

Для проверки предельного эффекта усиления призмы производился расчет в состоянии поперечного обжатия по углам призмы вдоль всей длины. Для моделирования этой ситуации произведено закрепление угловых узлов от горизонтальных перемещений вдоль осей X и Y.

Сравнение напряженно-деформативных нагрузок конструкции отображены в таблице 1.

Таблица 1 – Усилия и перемещения в образцах в зависимости от шага тяжей

Из результатов расчета видно: эффект от усиления проявляется при шаге тяжей примерно равного сечению образца. В данном напряженном состоянии прослеживается понижение

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

приложению нагрузки значительно ниже, чем в образце без обоймы. Из таблицы также можно увидеть, что значительные перемещения вызваны растяжением тяжей, и составляет порядка 25% от общей горизонтальной деформации.

-18.1

0

-23.9

94

Рис. 2. Изополя горизонтальных перемещений и эквивалентных напряжений в бетонном образце усиленном стальной обоймой

Для полноты исследования принято решение, сравнить тяжи с различными жесткостями. В сравнительных сериях расчетов определяются эквивалентные напряжения, и деформационные характеристики образца и обоймы. Результаты расчетов образца приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение эквивалентных напряжений и деформационных характеристик образцов

Из таблицы 2 видно, что при увеличении диаметра тяжей, уменьшаются их деформации и

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

качественном включении конструкции обоймы в работу. Главным образом увеличение жесткости тяжей сказывается на уменьшении значений эквивалентных напряжений, следовательно, повышая прочность образца. Из графика можно увидеть, что зависимость между диаметром тяжей и уменьшением эквивалентных напряжений идет по затухающей кривой. Одной из причин потери «эффекта обжатия» заключается в ограниченной относительно не высокой изгибной жесткости продольного уголка.

Анализ результатов расчета позволил численно подтвердить предполагаемую эффективность усиления бетонных призм стальными обоймами:

Применительно к таблице 1:

1)Естественно, что при работе бетонной призмы в стальной сплошной обойме максимально стеснены поперечные деформации образца, практически не возникает поперечного расширения бетона и значения эквивалентных напряжений достигает максимума по модулю. Использование обоймы в качестве усиления практически вдвое позволяет повысить прочность элемента.

2)Изменение шага тяжей непропорционально сказывается на изменение эквивалентных напряжений и усилий в тяжах. Эта «нелогичность» объясняется влиянием местных напряжений возникающих в сечениях с тяжами при относительно малой жесткости уголков обоймы (20х3). Максимальное значение прочности бетонного образца прогнозируется (кроме сплошной

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Y

Загружение 1

Изополя эквивалентных напряжений NE18 Средний слой Единицы измерения - кг/см**2

96

Y

X

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений а) в уровне между тяжами б) в уровне тяжей

Применительно к таблице 2:

1)Увеличение площади поперечного сечения тяжей при постоянном шаге вызывает существенное снижение поперечных относительных деформаций бетона с тяжами (почти в 10 раз)

ипропорциональное увеличение усилия в тяжах. Однако поперечные относительные деформации бетона между тяжами снизились всего лишь на 4%. А именно снижение этих деформаций будет обуславливать величину предельной нагрузки на конструкцию. Следовательно, прямое увеличение площади сечения тяжей не дает существенного эффекта и при проектировании его необходимо рассматривать в совокупности с шагом тяжей и жесткостными характеристиками обоймы.

Применительно к таблице 3:

1)Увеличение изгибной жесткости уголков обрамления приводит к выравниванию относительных поперечных деформаций бетона в уровне тяжей и между ними (при фиксированных диаметре и шаге стержней). Увеличение изгибной жесткости уголков повышает

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Заключение

Результаты расчетов, приведенные в табл. 1-3 подтверждают, что эффективность усиления существенно зависит от характеристик обоймы (шага и диаметра тяжей, характеристик сечения уголков обоймы). Продолжение исследований намечены в направлениях: поиска оптимального сочетания параметров системы «колонна + уголки обоймы + тяжи»; учета особенностей дискретной работы связи между уголками и бетоном, а именно расчетное выключение расстянутых связей; эффективности предварительного напряжения тяжей; учет физической нелинейности.

Библиографический список

1.Берг, О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона / О.Я. Берг – М., Стройиздат, 1962. – 96с.

2.Карпенко, Н.Н. Об одной характерной функции прочности бетона при трехосном сжатии / Н.Н. Карпенко

//Строительная механика и расчет сооружений. – 1982. – №2. – С.33-36.

3.Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона/ Н.И. Карпенко.– М.: Стройиздат, 1996.– 416 с.

4.Аман Эль-Дин Маамун Дауд. Усиление железобетонных колонн предварительно напряженными элементами и методы их расчета: автореф. дис. … канд. техн. наук: 5.23.01 / Маамун Дауд Аман Эль-Дин; науч. рук. д.т.н., проф. П.В. Иванов/ Ростовская-на-Дону академия стр-ства. – Ростов-на-Дону, 1993. – 23 с.

5.Гулицкая, Л.В. Прочность полых цилиндрических бетонных элементов при трехосном сжатии: автореф. дис. … канд. техн. наук: 5.23.01 /Л.В. Гулицкая; науч. рук. д.т.н., проф. Л.К. Лукша ;БГПА. – Минск, 1991. – 16 с.

COMPUTER SIMULATION OF TRIAXIAL STATE OF STRESS PRISM COMPRESSED CONCRETE

REINFORCED WITH METAL CLIP

M.V. Mosin, A.A. Alexandrov, E V. Tishkov

Abstract. The paper presents the mechanism of destruction of concrete columns on the example of concrete prisms. A con-struction prisms gain compression based on the nature of the destruction of the prisms. The numerical experiment and the results of numerical simulation of a triaxial state of stress of the concrete prism crimped metal clip. Optimization of the cage design parameters for specific sizes of baa-ton prism.

Keywords. Strengthening columns, triaxial, the cage effect, reinforced concrete columns, LIRA SAPR.

97

Мосин Максим Владимирович (Россия, г. Омск) – аспирант группы ТТС-14АСП2, ФГБОУ ВО «СибАДИ»

(644080, г. Омск, пр. Мира, 5; e-mail: maksim.mosin@mail.ru ).

Александров Александр Александрович (Россия, г. Омск) – доктор технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5; e-mail:omsk-aaa@rambler.ru).

Тишков Евгений Владимирович (Россия, г. Омск) – кандидат технических наук, доцент кафедры

«НиСБ» ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5; e-mail: evgen2713@mail.ru).

Mosin Maxim Vladimirovich (Russian Federation, Omsk) – graduate student group TTS-14ASP2, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: maksim.mosin@mail.ru).

Alexandrov Alexander Aleksandrovich (Russian Federation, Omsk) – doctor of engineering, the associate professor «Building constructions» FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: omsk-aaa@rambler.ru).

Tishkov Evgeny Vladimirovich (Russian Federation, Omsk) – Candidate of Technical Sciences, the associate professor of FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: evgen2713@mail.ru).