ляет собой конструкцию, для которой композит является внешней «арматурой», приклеенной на поверхность бетона и находящейся во взаимодействии с окружающей средой [3].
Первые экспериментальные исследования влияния длительного воздействия среды, климатических факторов и нагрузок на физические, прочностные и деформативные характеристики композитных полимерных материалов были проведены в 1999 г. институтом «УралНИИАС».
В НИЛ «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) были проведены экспериментальные исследования, целью которых являлось изучение влияния попеременного замораживания и оттаивания на изменение прочности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами [4].
По результатам экспериментальных исследований, проведенных в «УралНИИАС» и НИЛ «Мосты» СГУПС, были сделаны следующие выводы:
–попеременное замораживание и оттаивание композитных материалов мало влияет на их физические, прочностные и деформативные характеристики;
–попеременное замораживание и оттаивание железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, не оказывает негативного влияния на адгезию композитного материала к бетону, а снижение их несущей способности происходит в результате уменьшения прочностных и деформативных характеристик бетона;
–композитный материал защищает поверхность бетона от увлажнения, что положительно сказывается на его сопротивляемости морозному разрушению;
–для пролетных строений, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, проверку прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента, на действие поперечной силы следует производить
не только с учетом коэффициента условий работы бетона mb, что пре-
дусмотрено СНиП 2.05.03–84* [5], но и mbt [4].
Экспериментальные исследования прочности, проведенные как российскими, так и зарубежными исследователями [7], показали высокую эффективность применения композитных материалов при усилении изгибаемых железобетонных конструкций.
Следующие экспериментальные исследования, целью которых являлось изучение влияния композитных материалов на выносливость из-
гибаемых железобетонных конструкций, были проведены в НИЛ «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения
(СГУПС) в 2010 г.
По результатам проведенной оценки выносливости был сделан следующий вывод: при усилении железобетонных конструкций композитными материалами помимо существенного увеличения несущей способности происходит увеличение усталостного ресурса железобетонных конструкций [7].
Цель дальнейшей работы состоит в исследовании внешних факторов на долговечность железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
–проанализировать существующие экспериментально-теоретиче- ские исследования в России и за рубежом.
–провести экспериментальные исследования долговечности железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами.
–на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований составить предложения по учету изменения во времени прочностных и деформативных характеристик материалов от агрессивного воздействия окружающей среды, методики расчета грузоподъемности эксплуатируемых сооружений.
–выполнить вероятностную оценку остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов, эксплуатируемых в различных климатических условиях.
Список литературы
1.Разработка рекомендаций по применению композитных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений: отчет о НИР / ФГУП «РосдорНИИ», рук. В.И. Шестериков. – кон-
тракт № 5-Н от 24.09.2007 г.; этапы № 2 и № 3. – М., 2007 – 100 с.
2.CNR-DT 200/2004. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening existing structures. – Rome, 2004. – 144 р.
3.Смердов Д.Н. Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2010. – 24 с.
4.Бокарев С.А., Смердов Д.Н. Исследование многократного замораживания и оттаивания на изменение несущей способности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами // Транспорт Урала: науч.-техн. журн. – 2010. –
№3. – С. 98–104
5.СНиП 2.05.03–84*. Мосты и трубы / Минстрой России; ГП ЦПП. –
М., 1996. – 214 с.
6.FINITE ELEMENT MODELING OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES STRENGTHENED WITH FRP LAMINATES. Final Report SPR / Oregon Department of Transportation. – 2001. – 113 p.
7.Бокарев С.А., Смердов Д.Н., Неровных А.А. Оценка выносливости изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: межвуз. сб. науч. тр. – 2010. – № 10. – С. 287–294.
Об авторах
Смердов Дмитрий Николаевич (Екатеринбург, Россия) – канди-
дат технических наук, доцент кафедры «Мосты и транспортные тоннели», Уральский государственный университет путей сообщения
(620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66; e-mail: dnsmerdov@ mail.ru).
Смердов Михаил Николаевич (Екатеринбург, Россия) – старший преподаватель кафедры «Путь и железнодорожное строительство», Уральский государственный университет путей сообщения (620034,
г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66; e-mail: mikhail_smerdov@mail.ru).
Селиванова Екатерина Олеговна (Екатеринбург, Россия) – аспи-
рант кафедры «Мосты и транспортные тоннели», Уральский государственный университет путей сообщения (620034, г. Екатеринбург,
ул. Колмогорова, 66; e-mail: eorukomoykina@mail.ru).
УДК 624.19.058.2
МОДЕЛИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ТОННЕЛЯ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ SOFISTIK
Е.Н. Таранкова, В.Г. Пастушков
Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь
Посвящена программному комплексу SOFiSTiK, в частности редактору SOFiSTiK TEDDY, который используется для моделирования и анализа работы тоннельного сооружения. При работе изучены и сделаны выводы о целесообразности и необходимости использования данного программного комплекса, его возможности и теоретическая основа модельно-прикладного расчета. Отмечены удобство и доступность редактора SOFiSTiK TEDDY, а также наглядность характеристических особенностей работы изучаемой модели.
Ключевые слова: SOFiSTiK, TEDDY, TALPA, CADINP, тоннель, 3D-моделирование, анализ, геотехническая система.
SOFiSTiK – это программно-интегрированный комплекс для создания, расчета и моделирования различных по своему виду конструкций и сооружений. При создании расчетных моделей тоннелей и геотехнических систем программный комплекс SOFiSTiK использует графические возможности CAD с формированием 3D-модели любой плоской системы (рис. 1), моделирует продольные и поворотные шарниры, учитывает работу свай и загружения конструкции (рис. 2).
Рис. 1. 3D-модель тоннеля
Рис. 2. Загружение конструкции и анализ ее деформации
Данный программный комплекс позволяет рассчитывать совместные пространственные системы сооружение – основание. Удобство при проектировании тоннелей заключается в анализационной работе НДС и воздействии работ по возведению обделки тоннеля на каждом этапе строительства.
Модуль TALPA, основываясь на языке CADINP, реализуется с помощью менеджера стадий монтажа (CSG) и конечно-элементного расчета (FEA).
Менеджер стадий монтажа (CSG) при решении геотехнических задач обеспечивает автоматический последовательный расчет, реализуясь на интуитивном подходе. Конечно-элементный расчет (FEA) основывается на пошаговом расчете, опираясь на конечно-элементый метод.
Программный код расчетного модуля TALPA ‘Prog Talpa’ (рис. 3) при работе с группой элементов использует следующие параметры: GRP (выбор группы элементов); PLC (стадия, с которой принимаются напряженно-деформированные состояния для элементов заданных групп); LC (активное загружение); LСС (нагрузка и ее номер, извлеченный из модуля комбинации загружений).
Редактор SOFiSTiK TEDDY позволяет создать любой параметрический модуль SOFiSTiK, управляет его исходными данными, дает доступ к соответствующей базе данных, при работе предлагаются простые шаблоны и комментарии.
Программный комплекс SOFiSTiK при проектировании тоннелей и геотехнической системы основывается на следующих моделях и за-
495
конах: упругопластичной модели с ассоциативным и неассоциативным законом течения и различными законами разрушения (Мизес, Друкер – Прагер, Lade, Мор – Кулон, Guduhus); вязкоупругих законах (ползучесть, сопротивление, зависящее от времени); ориентации плоскости сдвига для взаимодействующих материалов (ориентируемые плоскости сдвига, скалярная модель повреждения); расширенной модели грунта (пластичность с упрочнением, жесткость, зависящая от напряжения, автоматический анализ направления нагружения); возможности задавать собственные модели материалов и условий их работы в системе.
Рис. 3. Пример программного кода для запуска расчетного модуля TALPA
Данный вид проектирования и анализ работы сооружения позволяют досконально изучить и проработать вопрос условий работы и режима эксплуатации сооружения, его индивидуальный характер устройства и совместность взаимодействия с иными конструкциями. В сочетании с различными модулями и редакторами программный комплекс SOFiSTiK максимально приближает работу модели к реальным условиям и последующее создание разных сочетаний факторов, которые влияют или могут повлиять на работу сооружения в период эксплуатации объекта.
Список литературы
1.Колокова Н.М., Копац Л.Н., Файнштейн И.С. Искусственные сооружения. – М., 2002.
2.Компаннец С.А., Поправке А.К., Богородецкий А.А. Проектирование тоннелей. – М., 2003.
3.Решение для геотехнических задач [Электронный ресурс]. – URL: http://www.sofistik.com/en.
4.Product information 03/2008. – URL: http://www.fides-dvp.eu/en
Об авторах
Таранкова Елена Николаевна (Минск, Республика Беларусь) –
студентка, Белорусский национальный технический университет
(220014, г. Минск, пр. Независимости, 150; e-mail: alena1904@inbox.ru).
Пастушков Валерий Геннадьевич (Минск, Республика Беларусь) –
кандидат технических наук, доцент кафедры «Мосты и тоннели», Белорусский национальный технический университет (220014, г. Минск,
пр. Независимости, 150; e-mail: valpast@inbox.ru).
497
УДК 624.31
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ФЕРМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНИЙ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В.А. Ходяков, В.Г. Пастушков
Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь
Описывается способ проектирования структур ферм с использованием линий главных напряжений. Запроектирована ферма с прямоугольным контуром, и проанализированы результаты ее расчета. Описаны преимущества и особенности структуры полученной фермы.
Ключевые слова: линии главных напряжений, ферма, пролетное строение, вычислительное проектирование, SOFiSTiK, Grasshopper, Rhinoceros, Karamba.
Главной целью при создании несущего каркаса фермы стало расположение стержневых элементов конструкции по сетке линий главных напряжений (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид пролетного строения с фермами, структура которых выстроена по сетке линий главных напряжений
Проектирование такой фермы велось с использованием погромных комплексов SOFiSTiK, Rhinoceros, Grasshopper и Karamba. Karamba
и SOFiSTiK использовались для расчета конструкции методом конечных элементов и построения линий главных напряжений. Rhinoceros и Grasshopper являлись инструментами для создания расчетной схемы несущей конструкции.
Изначально был проведен расчет прямоугольного вертикального листа стали, повторяющего контур фермы, с приложенной на уровне проезжей части условной нагрузкой (рис. 2). Длина проектируемого расчетного пролета 30 м. Высота фермы 3 м. По концам лист был жестко закреплен, эмитируя элемент неразрезного пролетного строения.
Рис. 2. Фасад стального листа с изополями напряжений и выстроенными линиями главных напряжений
Линии главных напряжений были проведены через характерные точки, находящиеся на уровне проезжей части с шагом 1 м по ее длине.
После того как была получена сетка линий главных напряжений, она была обработана и упрощена. Участки между точками пересечения линий были преобразованы в прямые.
Далее полученная структура линий была превращена в расчетную схему из стержневых элементов и передана в расчетный комплекс SOFiSTiK. В результате расчета был получен ожидаемый результат (рис. 3). Стержневые элементы, выстроенные по линиям главных сжимающих напряжений в пластине, работают исключительно на сжатие (см. рис. 3, а), а выстроенные по линиям главных растягивающих напряжений – на растяжение (см. рис. 3, б).
а
б
Рис. 3. Эпюры нормальных напряжений жесткой фермы: а – по 1-й группе элементов, работающих на сжатие; б – по 2-й группе элементов, работающих на растяжение
При погонной нагрузке на ферму 100 кН/м и стержнями из трубок диаметром 100 мм и толщиной стенки 10 мм несущая способность кон-
499
струкции по результатам расчета была обеспечена. Максимальный прогиб конструкции составил 43,6 мм.
Следующим шагом стала попытка заменить все жесткие, работающие на растяжение элементы на стальные канаты диаметром 50 мм. При этом элементы, работающие на сжатие, были оставлены жесткими. В результате была получена новая расчетная схема (рис. 4).
Рис. 4. Общий вид расчетной схемы фермы. Элементы, работающие на растяжение, заменены канатами (желтые линии)
После расчета конструкции были получены следующие эпюры
(рис. 5).
а
б
Рис. 5. Эпюры нормальных напряжений фермы с канатами; а – по 1-й группе элементов, работающих на сжатие; б – по 2-й группе элементов, работающих на растяжение, – канаты
В результате замены элементов система сохранила общие принципы работы, однако произошла потеря жесткости, максимальный прогиб составил 66,1 мм. Несущая способность была сохранена, однако напряжения в жестких элементах возросли.
При создании в канатах преднапряжения в 100 кН произошло увеличение жесткости, максимальный прогиб составил 53,9 мм. При работе конструкции незначительно были повышены напряжения в канатах, а напряжения в жестких элементах значительно снизились на 15–20 %.
