CC BY
14УДК 699.841
Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн. наук (belents@mail.ru), Петербургский государственный университет путей сообщения
Моделирование работы композиционных анизотропных материалов в условиях сейсмических воздействий
Современное строительство зданий и сооружений непосредственно связано с восприятием конструкциями и материалами внешних динамических нагрузок: воздействие транспорта и машин, механизмов, сейсмики и ветровой нагрузки на высотные здания и т. д. Поэтому принципиально важна способность материалов в конструкции без разрушения структуры воспринимать внешнюю дополнительную работу за счет взаимодействия внутренних структурных элементов разных геометрических размеров и уровня значимости. Необходимо создать эффективный баланс внешних и внутренних сил в материале.
Поскольку работа внешних сил мало поддается регулированию, необходимо при проектировании использовать материалы, способные запасать, поглощать и дис-сипировать энергию без ухудшения эксплуатационных свойств. Использование хрупких, хотя и высокопрочных материалов, опасно в силу ограниченной возможности восприятия внешней энергии. Даже небольшое воздействие приводит к образованию и лавинообразному продвижению трещин, что приводит к разрушению материала. Материал, обладающий вязкопластичными свойствами, более полно включается в работу и позволяет воспринять большее внешнее воздействие.
Способность материала запасать, поглощать и дисси-пировать внешнюю энергию связана с показателем удельной работы деформирования, совершаемой над единицей объема материала без нарушения структуры [1].
Потенциальная возможность восприятия внешней энергии связана с понятием энергоемкости материала, то есть с количеством энергии, которое способен воспринять материал. Хрупкие материалы работают эффективно до образования магистральной трещины с малой протяженностью автомодельной зоны, то есть объемом материала, вовлеченном в пластические деформации [2, 3]. Материалы, проявляющие пластические и вязкие свойства, более полно вовлекают в работу объем материала, в котором развиваются сдвиговые и другие деформации структурных элементов и микротрещины, изменяющие объем и форму образца [4].
Рассмотрим энергоемкость материалов на примере упругих и вязкопластичных с одинаковым пределом временного сопротивления (рис.1). Отчетливо видно, что при одинаковой прочности хрупкие материалы потенциально воспринимают меньший объем работы внешних сил. Вязкопластичная составляющая деформации материала позволяет существенно увеличить потенциал его энергоемкости, но при этом ограничивает возможность его применения из-за существенного снижения расчетного модуля деформации, то есть повышения деформативности сооружения.
Возможное решение проблемы — это использование композиционных материалов с эффективной энергоемкостью при сохранении высокой прочности и деформа-тивности. Это возможно за счет применения анизот-
пр
Апл
О о
Рис. 1. График удельной работы деформирования материалов: а - хрупких; б - вязкопластичных
12 Ей
3 Р11
4 Еи
Рис. 3. Прогиб и угол поворота консольных балок из идеализированного изотропного и анизотропного материала
I
EJ
Рис. 2. Расчетная схема консольного изгиба: а - изотропной балки; б -анизотропной балки(двухслойной балки)
EJ
0,5 EJ
\\\\\
Р из_ п 2EJp
Р кр 12
//2
//2
\\\\\
р из_2 п2EJp
Р кР /2
Рис. 4. Расчетная схема для определения критической силы сжатого стержня из идеализированного материала: а - изотропного; б - анизотропного
Р
Р
L
б
а
У
L
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
66 июнь 2010 *
0 0,0992 1,65 3,31 4,96 6,61 -200000 100
-200000
Загружение 1 Мозаика перемещений по Х(в)
Единицы измерения - мм
б 0 0,15 2 ,49 4,98 7,48 9,97
-200000 ' ,.100
1С
-200000
н
Загружение 1 Мозаика перемещений по Х(в)
Единицы измерения - мм
Рис. 5. Деформация образцов при вертикальной нагрузке 10 МПа и сопоставимой горизонтальной нагрузке: а - изотропного бетона Е=275-103 кгс/см2 б - композиционный анизотропный материал на основе вяжущего с двумя типами слоев соответственно с Е=100-103 кгс/см2 и Е=450-103 кгс/см2
ропных композиционных материалов. Примером может быть кирпичная кладка. Существует опыт эксплуатации кирпичной кладки в зданиях, возведенных в условиях сейсмических нагрузок.
Современные кирпичные здания на хрупком кирпиче и жестком малодеформативном цементном растворе зарекомендовали себя малоэффективными для строительства в сейсмических районах. Причины этого кроются в несоблюдении технологии возведения, снижении или отсутствии контроля прочности используемого раствора и кирпича, ограниченной прочности сцепления кирпича и раствора. Это приводит к существенным повреждениям таких зданий в результате землетрясения.
Однако композиционные анизотропные материалы за счет высокой энергоемкости при соблюдении оптимального состава и технологии могут эффективно использоваться для строительства в сейсмически опасных регионах. Передача усилий между структурными элементами различной деформативности и геометрических размеров приводит к эффективному гашению и перераспределению внешних сейсмических воздействий по сравнению с изотропными материалами.
Примером эффективного использования анизотропного материала может служить сравнение идеализированной консольной балки при одинаковой нагрузке и сопоставимом модуле деформации (рис. 2). Идеализированная балка из композиционного анизотропного материала состоит из двух участков. Первый участок жесткий, с модулем деформации, стремящимся к бесконечности; второй — мягкий, с модулем деформации, равным половине изотропного материала. При одинаковых деформациях сжатия прогибы консольных балок и угол поворота сечения будут существенно различаться. При достаточном количестве слоев в анизотропной композиции они будут приближаться к предложенной идеализированной модели. Из сравнения результатов видно (рис. 3), что балки из анизотропных материалов показывают большие прогибы без разрушения, а значит, обладают большей энергоемкостью.
Коэффициент продольной устойчивости и критическая сила сжатых консольных стержней из идеализированных изотропных и анизотропных материалов будут отличаться (рис. 4).
Для подтверждения приведена компьютерная модель деформации консольной анизотропной и изотропной балки с одинаковым средним модулем деформаций, высотой 1 м и сечением 40x40 см (рис. 5).
Поперечные деформации композиционных анизотропных материалов при сопоставимых нагрузках в 1,5 раза выше вертикальных. Это приводит к интенсивному развороту элементов, подвергающихся наибольшему воздействию поперечных сил. Разворот сечения составил 1,5—2 градуса, что отражается на схеме работы материала.
При использовании композиционных анизотропных материалов снижаются собственные частоты колебаний конструкции по сравнению с изотропным материалом с 3,9 до 2,9 Гц, что отражается на восприятии динамических нагрузок. Снижаются действующие на элемент силы за счет разворота сечения, этот эффект составляет 3,5% при подобном угле разворота. Возникает отталкивающая сила, которая стремится сбросить элемент с конструкции и которая компенсируется вертикальным прижимом. Нагрузка, ранее действующая по наиболее невыгодному направлению, сдвигающая элементы композиционных анизотропных материалов относительно друг друга, становится менее значима из-за наклона относительно плоскости стыкования элементов.
Более жесткий элемент с меньшим коэффициентом поперечных деформаций — анизотропный заполнитель — играет роль обжимающего, а значит, армирующего эффекта для более деформативных элементов. При достижении предельных значений сдвиговых усилий формируется элемент сухого трения. После образования трещины на участке сцепления соседних элементов композиционных анизотропных материалов при формировании элемента сухого трения возможно восприятие нагрузки до 70% вертикальной. Проблемой является формирование единого композиционного материала с высокой адгезией отдельных слоев друг другу, но это решается подбором состава отдельных структурных элементов и мероприятий, повышающих адгезию и прочность при срезе.
Таким образом, чередование жестких и деформатив-ных слоев в композиционном анизотропном материале при сохранении модуля деформаций позволяет повысить энергоемкость материалов, следовательно, эффективность их использования в условиях динамических и сейсмических воздействий.
Ключевые слова: композиционный материал, анизотропия, деформативные свойства, сейсмостойкое строительство.
Список литературы
1. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М.: Наука, 1975. 828 с.
2. Плювинаж Г. Механика упругопластического разрушения. М.: Мир, 1993. 448 с.
3. Черепанов Т.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.
4. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А. Реологические модели, используемые для прогнозирования свойств материалов, учитывающие их характер деформирования // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2005. № 3. С. 87-89.
а
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июнь 2010 67
