CC BY
52
УДК 624.072.21
ЖУКОВ А. Н. ЗЕМЛЯНСКИЙ А. А.
Численное исследование систем усиления железобетонных консолей колонн
Жуков
Александр
Николаевич
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Управление качеством и технологии строительного производства» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства
e-mail: zhukov.penza@ yandex.ru
В статье представлены результаты численного исследования способов усиления железобетонных консолей колонн, выполненного в программном комплексе ANSYS. На примере двух способов усиления анализируется напряженно-деформированное состояние всех компонентов конструкции. Выполняется аналитическое сравнение построенных моделей и данных экспериментального исследования.
Ключевые слова: численное исследование, система усиления, консоль колонны, напряженно-деформированное состояние, сравнение.
ZHUKOV A. N. ZEMLYANSKIY A. A.
COMPUTATIONAL INVESTIGATION OF AMPLIFICATION SYSTEMS CONSOLES CONCRETE COLUMNS
The results of a computational investigation ways to strengthen reinforced concrete columns consoles performed in the software package ANSYS are presented in the article. The example of two ways to strengthen analyzed deflected mode of all structure components. Analytical comparison of the constructed models and experimental research data are performed.
Keywords: computational investigation, amplification system, console column, deflected mode, comparison.
Землянский
Анатолий
Андреевич
доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Балаковского института техники,технологии и управления (филиала) ГОУ ВПО СГТУ, Почетный работник высшего образования РФ, Заслуженный изобретатель РФ
e-mail: zeml_aa@mail.ru
В настоящее время получил широкое применение метод конечных элементов в системах автоматизированного проектирования для исследования работы строительных конструкций. В сочетании с экспериментальными данными он позволяет установить и верифицировать распределение напряженно-деформированного состояния во всей исследуемой системе. Авторами анализируются экспериментальные данные [1], характеризующие эффективность работы различных способов усиления железобетонных консолей колонн, а именно усиленной сталетрубобетон-ной обоймой и системой с возможностью интеллектуального управления — балансирным устройством. Общий вид конструкций усиления и схема расположения тензометрических датчиков представлен на Иллюстрации 1.
Моделирование работы исследуемых конструкций усиления проводилось в программном комплексе ANSYS [2]. Задача для консоли колонны и усиления балансирными устройствами решалась в упругопластичной постановке из-за напряжений выше предела текучести по результатам натурных испытаний. Задача оценки НДС для сталетрубобетонной обоймы решалась в упругой постановке, так как напряжения были существенно ниже предела текучести.
Целью настоящего исследования является анализ напряженного состояния конструкции железобетонной консоли колонны в зоне максимальных напряжений и деформаций в зависимости от способа усиления консоли колонны.
Для исследования напряженно-деформированного состояния консоли колонны в за-
Иллюстрация 1. Общий вид конструкции усиления и схемы б — сталетрубобетонная обойма
висимости от способа усиления были построены графики распределения напряжений в сечении под зоной нагружения вдоль консоли и в середине ее толщины. Вид сечения представлен на Иллюстрации 2.
При исследовании способов усиления сечение принято аналогичным.
Анализ графиков (Иллюстрация 3) показывает, что разрушение неусиленного сечения произошло от вертикальной сдвигающей силы, которая действует вдоль грани с рабочей арматурой, при этом горизонтальные напряжения практически не оказывают влияния на процесс разрушения. На Иллюстрации 4 представлены графики распределения напряжений в сечении 1
расположения тензодатчиков: а — балансирное устройство;
и 2 соответственно при усилении консоли балансирным устройством.
Анализ графиков (Иллюстрация 4) показывает, что в связи с переносом опорной реакции ближе к центру тяжести нижней части колонны нормальные напряжения в сечении стремятся к нулю. Балансирное устройство позволяет перераспределить напряжения по плоскости консоли и изменить напряжения растяжения в месте соединения верхней части колонны и консоли на сжатие, что улучшает качество работы бетонных конструкций.
Анализ графиков (Иллюстрация 5) показывает, что возникающие в сечении 2 вертикальные напряжения выросли по сравнению с предыдущим случаем почти в 3 раза, что также подтверждает гипотезу о том, что усиленный центратор обладает большей прочностью, так как напряжения равномернее распределяются по ширине сечения консоли. Данные напряжения равномернее распределяются по поверхности консоли вследствие отсутствия смятия полок центратора, которые наблюдались при физическом эксперименте. Место возникновения данных напряжений сместилось от грани верхней части колонны в сторону обреза консоли.
Анализ графиков (Иллюстрация 6) показывает, что сталетрубобетонная обойма является самой напряженной, так как максимальные напряжения расположены под зоной нагружения и достигают 69 МПа. При этом совместная работа стали и бетона позволяет, не разрушаясь, воспринимать столь высокие напряжения. Необходимо отметить, что при этом нормальные
Иллюстрация 2. Сечения в ПК ANSYS для построения графиков: а — сечение 1; б — сечение 2
Иллюстрация 3. Графики распределения напряжений в сечениях 1 и 2 консоли колонны без усиления: а — в сечении 1; б — в сечении 2
Иллюстрация 4. Графики распределения напряжений в сечениях 1 и 2 консоли, усиленной балансирным устройством (без пластины): а — в сечении 1; б — в сечении 2
Иллюстрация 5. Графики распределения напряжений в сечениях 1 и 2 консоли, усиленной балансирным устройством (с пластиной): а — в сечении 1; б — в сечении 2
Иллюстрация 6. График распределения напряжений в сечении 1 консоли, усиленной сталетрубобетонной обоймой: а — в сечении 1; б — в сечении 2
напряжения распределяются более равномерно в сравнении с традиционной консолью.
Сводные графики распределения нормальных напряжений в сечениях 1 и 2 представлены на Иллюстрациях 7, 8.
Анализ графиков (Иллюстрации 7, 8) распределения напряжений показал, что распределения напряжений становятся более равномерными по сравнению с неусиленной консолью. В случае с балансирным устройством наблюдается снижение максимальных напряжений на консоли колонны от 30 % (для сечения 2). Для ста-
летрубобетонной обоймы напряжение в сечении 1 возросло в 2,09 раза при условии возможности увеличения нагрузки минимум в 2,24 раза.
Анализ результатов работы консоли до восстановления работоспособности показывает, что в бетоне консоли расположены существенные (для бетона B10) напряжения, а так как арматура имела гладкий профиль, то произошел сдвиг бетона относительно арматуры в зоне контакта, что подтверждают данные физического эксперимента. Сравнение результатов физических
Иллюстрация 7. Сводный график распределения нормальных напряжений в сечении 1
Иллюстрация 8. Сводный график распределения нормальных напряжений в сечении 2
Таблица 1. Сравнение напряжений в элементах балансирных устройств
Номер датчика Напряжения физического эксперимента, МПа Напряжения численного эксперимента, МПа Разница, % Примечание
Номер модели Номер модели Номер модели
№ 1 № 2 № 1 № 2 № 1 № 2
1 — 202,22 257,89 218,33 — 8,0 Отказ датчика на модели № 1
2 — 149,3 250,36 133,42 — 11,9 Отказ датчика на модели № 1
3 — — 221,20 130,52 — — Отказ датчика на моделях № 1 и № 2
4 — 124,66 217,28 133,07 — 6,7 Отказ датчика на модели № 1
5 -80,21 -70,21 -73,67 -62,80 8,9 11,1 —
6 -76,19 — -68,95 -62,65 10,5 — Отказ датчика на модели № 2
7 118,66 — 131,05 78,23 10,4 — Отказ датчика на модели № 2
испытаний и численного моделирования представлено в Таблицах 1, 2. Модели консолей № 1 и № 2 идентичны по конструктивному решению.
Анализ результатов расчета балансирного устройства показывает, что данные в контрольных точках сопоставимы с данными физического эксперимента с разницей не более 12 % (Таблица 1). Анализ результатов численного эксперимента показал, что при замене сечения центратора на коробчатое происходит уменьшение напряжений в контрольных точках от 10 % на стойках опорной балки до 87 % на рычагах управления (Таблица 1). Деформа-
тивность всей конструкции, напротив, выросла от 30 до 80 % с учетом возросшей нагрузки на 29 % и не превышает 5,4 мм.
Анализ результатов расчета сталетрубобетоннной обоймы показывает, что данные в контрольных точках сопоставимы с данными физического эксперимента с разницей не более ±12 %о (Таблица 2). Следует отметить, что на отдельных элементах конструкции имеются экстремальные напряжения величиной до 200 МПа. При этом максимальные деформации конструкции усиления не превышают 2 мм.
Таблица 2. Сравнение напряжений в элементах трубобетонной обоймы
Номер датчика Напряжения физического эксперимента, МПа Напряжения численного эксперимента, МПа Разница, %
1 33,79 30,98 9,1
2 23,41 21,34 9,7
3 30,67 27,42 11,8
4 -26,78 -25,43 5,3
5 21,87 20,34 7,5
6 19,77 21,97 11,1
7 -12,76 -12,94 1,4
8 30,63 32,09 4,8
9 45,81 50,28 9,8
10 15,54 16,92 8,9
11 23,24 21,77 6,8
12 24,64 24,24 1,7
13 37,4 34,1 9,7
14 15,52 14,08 10,2
15 -31 -28,63 8,3
16 27,83 25,46 9,3
Заключение
1 Анализ результатов расчета консоли колонны показывает, что характер разрушения и уровень напряженно-деформированного состояния аналогичны данным, полученным в ходе физического эксперимента.
2 Анализ результатов численного моделирования способов восстановления работоспособности консолей колонн с помощью балансирных устройств показывает, что характер разрушения и напряженно-деформированное состояние сопоставимы с физическим экспериментом, так как разница напряжений в контрольных точках не превышает 12 %. Максимальные деформации не превышают 5,4 мм.
3 Замена поперечного сечения центратора на коробчатое позволяет снизить напряжения на элементах конструкции от 10 до 87 %.
4 Анализ результатов численного моделирования восстановления работоспособности консолей колонн с помощью сталетрубобетонных обойм показывает, что характер разрушения и напряженно-деформированное состояние сопоставимы с физическим экспериментом, так как напряжение в контрольных точках не превышает 12 %. Максимальные деформации не превышают 2 мм.
5 Анализ графиков распределения напряжений показал, что распределения напряжений становятся более равномерными по сравнению с традиционной консолью. В случае с балансирным устройством наблюдается снижение максимальных напряжений на консоли колонны от 30 % (для сечения 2). Для сталетрубо-бетонной обоймы напряжение в сечении 1 возросло в 2,09 раза при условии увеличения нагрузки минимум в 2,24 раза.
Список использованной литературы
1 Нежданов К. К., Жуков А. Н., Булавенко В. О. Результаты экспериментального исследования по восстановлению работоспособности железобетонных консолей колонн теплоэлектроцентрали // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2012. № 3. С. 69-74.
2 Жуков А. Н. Результаты конечно-элементного моделирования конструкций восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн // Молодой ученый. 2013. № 4. С. 65-68.
