CC BY
17
УДК: 624.011.78
DOI: 10.52409/20731523_2022_2_15 EDN: BHRXOY
Численное исследование несущей способности балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей
МА.Салахутдинов1 , РА.Каюмов1, Д-Н.Арипов1 , А.Р. Ханеков1 ,
1 Казанский государственный архитектурно строительный университет, г. Казань, Российская Федерация
Аннотация: Ограниченность номенклатуры пултрузионных профилей сплошного сечения не позволяет применять их в качестве балок при относительно больших пролетах по сравнению с составным сечением. Целью исследования является определение несущей способности балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей методом компьютерного моделирования. Основные задачи исследования заключаются в разработке конечно-элементной модели и анализе напряжённо-деформированного состояния конструкции с учетом реальных физико-механических характеристик пултрузионных стеклопластиковых профилей. Разработано новое конструктивное решение балки составного двутаврового сечения из пултрузионных профилей пролетом 6 м. Выполнено компьютерное моделирование композитного материала (пултрузионного стеклопластика) и разработанного конструктивного решения балки составного двутаврового сечения из пултрузионных профилей на программном комплексе, реализующем метод конечных элементов. Исследована действительная работа и несущая способность балки составного двутаврового сечения из пултрузионных профилей.
Значимость полученных результатов заключается в определении действительной работы и предельной несущей способности балки составного двутаврового сечения из пултрузионных профилей при трехточечном изгибе методом компьютерного моделирования, возможности дальнейшего натурного изучения и последующего внедрения в строительство.
Ключевые слова: пултрузия, стеклопластиковый профиль, несущая способность, балка составного сечения, изгиб балки, компьютерное моделирование.
Для цитирования: М.А Салахутдинов, Р.А. Каюмов, Д.Н. Арипов, А.Р. Ханеков. Численное исследование несущей способности балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей//Известия КГАСУ 2022 № 2(60).С.15-23, DOI: 10.52409/20731523_2022_2_15 EDN: BHRXOY
Numerical study of the bearing capacity of a composite I-shaped section beam of pultruded fiberglass profiles
M.A. Salakhutdinov1 , R.A. Kayumov1 , D.N. Aripov1 , A.R. Khanekov1 ,
1Kazan State University of Architecture and Engineering Kazan, Russian Federation
Abstract. The purpose of the study is to determine the bearing capacity of a beam of a composite I-shaped section of pultruded fiberglass profiles by computer modeling.
*
Исследование выполнено при финансовой поддержке АНРТ. Грант № 04-30-юГ и Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета
A new structural concept for a composite I-shaped section beam made of pultruded fiberglass profiles is being developed. Computer modeling of a composite material pultruded fiberglass and developed structural concept for a composite I-shaped section beam made of pultruded fiberglass profiles are performed on a software package that implements the finite element method. The actual work and bearing capacity of a composite I-shaped section beam made of pultruded fiberglass profiles are investigated. The main objectives of the study are the development of a finite element model and the results of the analysis of the stress-strain state of the structure, taking into account the real physical and mechanical characteristics of the pultruded fiberglass profiles.
The significance of the obtained results lies in the determination of the actual work and the ultimate bearing capacity of a composite I-shaped section beam made of the pultruded fiberglass profiles with a three-point bending of a beam with a composite I-shaped section made of the pultruded fiberglass profiles by computer modeling, for further field study and subsequent implementation of the composite I-shaped section beam in construction.
Keywords: pultrusion, fiberglass profile, bearing capacity, composite section beam, beam bending, computer modeling.
For citation: M.A. Salakhutdinov, R.A. Kayumov, D.N. Aripov, A.R. Khanekov. Numerical study of the bearing capacity of a composite I-shaped section beam of pultruded fiberglass profiles//News KSUAE 2022 № 2(60). p.15-23 DOI: 10.52409/20731523_2022_2_15 EDN: BHRXOY
1. Введение
Пултрузионный стеклопластик обладает рядом преимуществ по сравнению с другими материалами: низкий удельный вес, высокая прочность, коррозионная стойкость и быстрый монтаж. Применение полимеров, армированных волокнами (ПАВ) [1], в несущих конструкциях на сегодняшний день практикуется и подкрепляется теоретическими исследованиями. ПАВ широко используется для усиления существующих конструкций, изготовленных из традиционных материалов, но еще не получили широкое применение при строительстве новых зданий и сооружений, так как хрупко-упругое поведение требует применения повышенных мер предосторожности [2]. Основной проблемой, сдерживающей широкое внедрение пултрузионных стеклопластиковых профилей, является отсутствие полноценной нормативно-технической базы документации.
Известно, что ферменные и рамные конструкции из пултрузионных стеклопластиковых профилей проектируются уже более 30 лет [3]. Наиболее широкое применение пултрузионных стеклопластиковых профилей нашлось в пешеходных мостах [4], временных каркасных сооружениях [5], независимых легких конструкциях существующих зданий [6], особенно, в условиях агрессивной среды. Анализ существующих рекомендаций по расчету и конструированию данных профилей показывает, что одной из проблем при разработке конструкций из стеклопластика является обеспечение требуемой прочности и деформативности [7,10]. При этом прочность и деформативность конструкции из пултрузионных стеклопластиковых профилей зависит от решения узловых соединений, которые выполняются преимущественно болтами [8]. Предлагается новое конструктивное решение, выполняется моделирование балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей с определением несущей способности на программном комплексе, реализующем метод конечных элементов (МКЭ). Целью исследования является определение несущей способности балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей.
Для достижения цели необходимо:
- Разработать новое конструктивное решение балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей, пояса которой выполнены из парных уголков, соединенных листовыми фасонками.
- Выполнить компьютерное моделирование балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей. Разработать конечно-элементную
расчетную модель с учетом физико-механических характеристик и направления волокон композитного материала.
- На основе численных исследований получить результаты расчета напряженно-деформированного состояния балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей на трехточечный изгиб, что позволяет в дальнейшем продолжить исследование работы балки при равномерно распределенной нагрузке.
2. Материалы и методы
Разрабатывается балка составного двутаврового сечения из пултрузионных профилей пролетом 6 м и высотой 0.5 м. Верхняя и нижняя полка выполнены из парных пултрузионных стеклопластиковых уголков сечением 105х13 мм, стенка выполнена из пултрузионных стеклопластиковых листов (фасонок) крайние фасонки сечением 500х400х10 мм, средние фасонки сечением 500х200х10 мм, установленные с шагом 230 мм. Элементы полок и фасонок соединены между собой болтами М16 без контролируемого натяжения, установленными с шагом 100 мм (рис. 1). Все характеристики приняты для профилей производства ООО «Татнефть-Пресскомозит» [9].
• • • • • • • • 1 • • • * • * - • • • • * • • • • t
t on . 355 .?( 0.230 .2 0.230 ?C 0 .230 ,2C 0 230 ,20 0 230 2( 0 100 . ™ . ™ . ™ . > -50
6000 1 nd mi lflfl ж! (.книгой
Рис. 1: Конструктивное решение балки составного двутаврового сечения.
Fig. 1: Structural solution of composite I-section beam made.
Численные исследования выполнены с учетом реальных физико-механических характеристик [10] на современном сертифицированном программном комплексе (ПК) «Ansys». Моделирование балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей состоит из 6 этапов:
1. «Engineering Data» позволяет задать материалы и реальные физико-механические характеристики элементов балки составного двутаврового сечения.
2. «Beam 2.1» выполняется для создания геометрии верхней и нижней полки вместе с болтами М16.
3. «Beam 2.2» выполняется для создания геометрии плоскости, стенки балки составного двутаврового сечения.
4. «Mechanical model» к этому этапу линиями связи присоединяются этапы «Engineering Data» и «Beam 2.1». Для того чтобы задать контакты между элементами в геометрии «Beam 2.1» (рис 2а), а также через функцию «Mesh» создается сетка для получения в дальнейшем более точных результатов в элементах.
5. «ACP Pre» к этому этапу линиями связи присоединяются «Engineering Data» и «Beam 2.2». На данном этапе задается направление пултрузии и толщина стенки.
6. «Static Structural» на этом этапе создается конечно-элементная модель балки составного двутаврового сечения, линиями связи присоединяются «Mechanical model» и «ACP Pre». Таким методом они сшиваются в одну модель, на конечном этапе создаются контакты между стенкой, верхней полкой, нижней полкой и болтами. Назначается узловая нагрузка F (кН). Закрепления по краям балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей выполнены жесткими по всем направлениям оси координат (рис. 2б).
Перед выполнением расчета конструкции добавляются функции «Total Deformation» для получения результатов по прогибу, функция «Composite Failure Tool» для просмотров коэффициента использования в стенке балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей.
б)
Рис.2: а) создание контактов между стеклопластиковым уголком и болтом М16, б) расчетная
конечно-элементная модель Fig.2: a) creation of contacts between fiberglass angle and M16 bolt, b) design finite element model.
3. Результаты
В программном комплексе «Ansys» получены значения прогибов (рис. 3а) и коэффициенты использования стенки балки (рис.Зб). Предельно допустимый прогиб 30мм достигается при сосредоточенной нагрузке F=19,52 кН в середине пролета балки. Коэффициент использования (Кисп) листовых фасонок в стенке балки при расположении волокон 90° при нагрузке F=19,52 кН составляет в т.1=2,35, т.2=2,68 (рис.Зг), при нагрузке F= 44.14 кН составляет в т.1 = 5,58 и в т.2=6,19, соответственно, что показывает наличие концентраторов напряжений в данных точках (рис.Зв). При этом деформации отверстий болтового соединения составили в т.1= 0,33 мм, в т.2= 0,35 мм (рис.Зд).
г)
д)
Рис.3: а) прогиб балки составного двутаврового сечения при трехточечном изгибе, б) общая схема изменения коэффициента использования листовых фасонок балки составного двутаврового сечения, в) коэффициент использования при нагрузке F=19.52 кН, г) фрагмент балки в узловом соединении, д) деформация отверстия стенки балки при нагрузке F=19.52 кН. Fig.3: a) deflection of beam I-section at point bending, b) general diagram of the coefficient of use sheet girders of composite l-section, c) load utilization factor F=19.52кN, d) beam fragment in nodal connection, e) deformation of the beam wall hole under load F=19.52 kN.
По результатам выполненных численных исследований составлены графики зависимости прогибов балки (рис.4а) и деформаций болтового соединения (рис.4б) от действующей нагрузки.
а)
О 0.2 0.4 0.6
верхние значения - перемещения £ мм нижнее значение - нагрузка F кН
б)
Рис.4: а) прогиб балки, в) деформации болтового соединения в балке. Fig.4: a) beam deflection, b) bolt joint deformations in beam.
4. Обсуждения
Не смотря на отсутствие полноценной нормативно-технической базы по расчету конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей, разработанная в программном комплексе «Ansys» конечно-элементная модель балки составного сечения позволяет достоверно определять ее напряженно-деформированное состояние и несущую способность. По результатам численных исследований установлено, что несущая способность разработанной балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей обеспечена, тем самым подтверждается возможность ее дальнейшего экспериментального исследования и внедрения в строительство.
Известна работа [2], в которой моделировалось в программном комплексе «Ansys» соединение пултрузионной балки сплошного сечения с колонной. По результатам численных исследований в данной работе определена несущая способность узлового соединения и получены критерии разрушения пултрузионных профилей, не учитывающие направленность волокон. В тоже время, в разработанной конечно-элементной модели балки составного сечения применяется критерий разрушения Цая Ву, который учитывает направленность волокон и позволяет выявлять резервы несущей способности композиционного материала.
5. Заключение
На основании численных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработано новое конструктивное решение балки составного двутаврового сечения из пултрузионных стеклопластиковых профилей, пояса которой выполнены из парных уголков, соединенных листовыми фасонками.
2. Выполнено компьютерное моделирование балки составного двутаврового сечения. Разработана конечно-элементная расчетная модель балки с учетом физико-механических характеристик и направления волокон композитного материала.
3. На основе численных исследований получены результаты расчета напряженно-деформированного состояния балки составного двутаврового сечения на трехточечный изгиб, что позволяет в дальнейшем продолжить исследование ее работы при равномерно распределенной нагрузке.
Список библиографических ссылок/ References
1. Сулейманов А.М. Эффективные композиционные материалы строительного назначения: сб. ст. «Полимерные композиционные материалы нового поколения для гражданских отраслей промышленности» // ВИАМ. 2015, Москва С. 184-195. [Sulejmanov A.M. Effektivnye kompozicionnye materialy stroitel'nogo naznacheniya: sb. st. «Polimernye kompozicionnye materialy novogo pokoleniya dlya grazhdanskih otraslej promyshlennosti» // VIAM. 2015, Moskva S.184-195]
2. Feroldi F., Russo S. Structural behavior of All-FRP beam-column Plate Bolted joints // J.Compos. Constr., 20 4, 2016. Number: 04016004, DOI: 10.1061 / (ASCE) CC. 1943-5614. 0000667.
3. Mutsuyoshi, H., Nguyen, H., Zatar, W. and Ishihama, T., Rexural behavior of pultruded hybrid fiber-reinforced polymer I-beam with bonded-and-bolted splice joints. Transportation research method, 2592, 2016, 45-55. DOI: 10.3141/2592-06.
4. Sebastian W.M., Ross J., Keller T., Luke S. Load response due to local and global indeterminacies of FRP-deck bridges // Composites Part B: Engineering. 2012. Vol. 43. No. 4. P.1727-1738.
5. Adilardi A., Russo S. Innovative design approach to a GFRP pedestrian bridge: Structural aspects, engineering optimization and maintenance. Proc., 15th Int. Conf. on Bridge Maintenance, Safety and Management. CRC Press / Balkema, Taylor and Francis Group, Leiden, Netherlands, 2010. P. 2455-2459.
6. Martins, D., Proenca, M., Correira, JR, Gonilha, J., Arruda, M. and Silvestre, N. Development of a novel beam to column connection system for pultruded GFRP tubular profiles. Composite Structures, 171, 2017, 263-276. DOI: 10.1016/j.compstruct. 2017.03.049
7. Satasivam, S, Feng, P., Bai, Y. and Caprani, C. Composite actions within steel-FPR composite beam systems with novel blind bolt shear connections. Engineering structures, 138, 63-73. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.01.068.
8. Feroldi F., Russo S. Mechanical performance of pultruded FRP plates in beam to beam connections // J. of Composites for Construction, 21 4, 2017. Number: 04017004 DOI: 10.1061/(ASCE) CC. 1943-5614.0000779.
9. Композиционные материалы SMC/BMC технологичность. Качество. Профессионализм https://www.tnpc.ru/ . [Composite materials SMC/BMC. High technology. Good quality. Professional approach. URL: https: //www .tnpc. ru/ (reference date: 05.06.2022)].
10. Ascione, F., Feo, L., Lamberti, M., Minghini, F., and Tullini, N., 'A closed-form equation for the local buckling moment of pultruded FRP I-beams in major-axis bending,' Composite Part B - Engineering, 97, 2016, 292-299. doi:10.1016/ j.compositesb.2016.04.069
Информация об авторах.
Марат Айдарович Салахутдинов , доцент, кандидат технических наук, Казанский государственный архитектурно строительный университет, г.Казань, Российская Федерация.
Email: [email protected]
Рашит Абдулхакович Каюмов ,профессор, доктор физико-механических наук, Казанский государственный архитектурно строительный университет, г.Казань, Российская Федерация. Email: [email protected]
Далер Насимович Арипов , ассистент, кафедры МКиИС, Казанский государственный архитектурно строительный университет, г.Казань, Российская Федерация Email: architector- [email protected]
Арслан Реджепович Ханеков , магистр КГАСУ по направлению Теория проектирования зданий и сооружений, Казанский государственный архитектурно строительный университет, Российская Федерация Email: [email protected]
Information about the authors. Marat A.Salakhutdinov , candidate of technical sciences, associate professor, Kazan State University of Architecture and Engineering , Kazan, Russian Federation. Email: [email protected]
Rashit A.Kayumov ,doctor of physical-mathematical sciences, professor, Kazan State University of Architecture and Engineering , Kazan, Russian Federation. Email: [email protected]
Daler N.Aripov , assistant of the department of metal structures and testing of structures , Kazan State University of Architecture and Engineering , Kazan, Russian Federation. Email: [email protected]
Arslan R.Khanekov , magister Kazan State University of Architecture and Engineering in the field of design theory of buildings and structures. Kazan, Russian Federation. Email: [email protected]
