CC BY
224
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
Однако при Ah=50 мм и 7=1000 °С напряжения превысят предел прочности стали при данной температуре и риск появления осевых трещин существенно возрастет, в то время как при температуре 7=1200 превышения предела прочности не наблюдается.
Вывод. Таким образом, не смотря на положительное влияние повышения степени обжатия на устранение осевой пористости, в случае пониженной температуры прокатки возможно появление осевых трещин в металле, поэтому при прокатке непрерывнолитых заготовок, в которых возможно наличие осевой пористости, следует внимательно относиться к выбору температурно-деформационных параметров. Список использованной литературы:
1. Уманский А.А. Исследование процессов формирования качества металлопродукции ответственного назначения на переделе сталь-прокат // Фундаментальные исследования. 2014. №8-2. С.335-339
2. Смирнов Е.Н., Скляр В.А. и др. Развитие подходов к исследованию на физических моделях механизмов «залечивания» дефектов сплошности осевой зоны непрерывнолитой заготовки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. С. 322-327.
3. Ботников С.А Современный атлас дефектов непрерывнолитой заготовки. Волгоград, 2011. 97 c.
4. Скляр В.А., Галкина В.В. и др. Развитие методологии физического моделирования поведения дефектов НЛЗ в процессе прокатки // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. 2016. С. 119-124.
5. Кинзин Д.И., Рычков С.С. Использование программного комплекса Deform-3D при моделировании процессов сортовой прокатки // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. №2 С.45-48.
6. Уманский А.А., Кадыков В.Н., Мартьянов Ю.А. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния металла при сортовой прокатке // Вестник СибГИУ. 2013. №4 (6) С.8-10.
© Смирнов Е.Н., Скляр В.А., Галкина В.В., 2017
УДК 69.04
С.С. Соловьев
Магистрант 2 курса Воронежский государственный технический университет г. Воронеж, Российская Федерация М.Ю. Пустовалова Магистрант 2 курса Воронежский государственный технический университет г. Воронеж, Российская Федерация
РАСЧЕТ ТАВРОВОЙ БАЛКИ, УСИЛЕННОЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ,
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПК ЛИРА-САПР
Аннотация
Проверяется эффективность усиления железобетонных балок композитным материалом, производится поиск лучшей модели для расчета в ПК Лира-САПР. Необходимо выполнить ручной расчет тавровой балки (до и после усиления) на действие предельно допустимого изгибающего момента, смоделировать несколько вариантов расчетных схем, отражающий работу конструкции до и после усиления в ПК ЛИРА-САПР, провести сравнительный анализ полученных результатов и сделать соответствующие выводы. В ходе исследования доказано положительное влияние использования ламелей из углеволокна в качестве материала усиления конструкции. Произведен анализ работы различных расчетных моделей тавровой балки в ПК ЛИРА-САПР. Результаты исследования позволяют сделать вывод о существенном увеличении несущей способности железобетонных балок таврового сечения после усиления композитным материалом. Выявлены плюсы и минусы использования объемной конечноэлементной модели и модели
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
«балка-стенка» при расчете в ПК Лира-САПР.
Ключевые слова
Композитные материалы, углеволокно, усиление железобетонных балок, ЛИРА-САПР, физическая нелинейность.
В России самым распространенным способом усиления железобетонных пролетных строений мостов является внешнее армирование с использованием металлических закладных деталей, в котором совместная работа бетона и внешних армирующих элементов обеспечивается анкерами и концевыми упорами. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, таких как увеличение сечения и большая стоимость работ для балок длиной 24м и более [1, с. 9].
Использование современных композитных ламелей и лент позволяет существенно снизить трудоемкость и стоимость усиления конструкций, независимо от их геометрических размеров. На территории Российской Федерации с использованием композитных материалов уже усилено несколько десятков мостов. В связи с чем, возникает необходимость в разработке единой расчетной модели с достаточной точностью отражающей работу усиленной конструкции.
Данное исследование ставит перед собой задачу аналитически доказать эффективность использования углеволокна для мостовых балок с каркасным армированием и найти наиболее подходящую модель для расчета в ПК ЛИРА-САПР.
1.1 Исходные данные. Объектом исследования является балка таврового сечения с ненапрягаемой арматурой, выполненная по типовому проекту Союздорпроект, инв. 54022-М (Рисунок 1,2).
Рисунок 1 - Геометрические параметры балки
Рисунок 2 - Приведенные геометрические параметры балки для ручного расчета
1.2 Характеристики материалов. Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.[2, с. 119] В данном исследовании в качестве материала усиления была использована ламель на основе углеродных волокон MBRACE LAM CF210/2400.120x1,4.100m (Табл. 1).
Таблица 1
Принятые характеристики материалов усиления [3, с. 6]
Наименование Модуль упругости Ef [т/м2] (МПа) Прочность на растяжение Rf [т/м2] (Мпа) Толщина (мм) Ширина (мм)
МВЯАСЕ LAM CF210/2400. 120x1,4. 100т 2.142х107 (210 000) 244.8х103 (2 400) 1.4 120
Характеристики бетона и арматуры принимаются в соответствии с СП 35.13330.2011.
Принятые характеристики бетона
Таблица 2
Класс бетона по прочности на сжатие Плотность (для ж/б конструкции) р (т/м3) Й ьи 1 ^ * & у Коэфф. Пуассона v Расчетное сопротивление бетона сжатию ЯЬ [т/м2] (Мпа) Нормативное сопротивление бетона сжатию ЯЬп [т/м2] (Мпа) Расчетное сопротивление бетона растяжению ЯЫ [т/м2] (Мпа) Нормативное сопротивление бетона сжатию Шп [т/м2] (Мпа)
В27.5 2.5 3х106 0.2 1 458.6 (14.3) 2 106.867 (20.656) 107.1 (1.05) 178.5 (1.75)
Таблица 3
Принятые характеристики арматуры
Наименование Диаметр сечения (1 (см) Площадь сечения A (см2) Модуль упругости Es [т/м2] (Мпа) Расчетное сопротивление арматуры растяжению [т/м2] (Мпа) Нормативное сопротивление арматуры растяжению [т/м2] (Мпа)
Рабочая арматура: d28 АШ (А400) а16 АШ (А400) 6.1544 2.0096 204х105 (2е5) 35 700 (350) 40 209 (394.211)
Хомуты: 18 А1 (А240) 218 А1 (А240) 0.8 0.5024 214.2х105 21 420 33 821
1.13 1.0048 (2.1е5) (210) (232.105)
2. Расчет изгибаемых железобетонных элементов до усиления.
Высота сжатой зоны бетона (Рисунок 3):
^ хА 350 х 0,006556
х =-=-= 0,1234м = 12,34см.
Rb х bf 14,3x1,30
Максимально допустимое значение изгибающего момента (Рисунок 3): М = КЬ х Vf х х(h0 - 0.5х) = [14.3х130х12.34 х(94,15 -0.5х12.34)]х 0.000102 = 205.86тс хм.
Условная равномерно-распределенная нагрузка q, при действии которой в балке возникает полученный момент (Рисунок 3):
2
М = q х 1 . = 205 86 х 8 = 5 496 т / м (или 4,185 т/м2 для равномерно распределенной по площади плиты 8 ' 17.42 балки нагрузки).
Рисунок 3 -Усилия в тавровом сечении до усиления.
2.1 Расчет изгибаемых железобетонных элементов после усиления. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов по прочности предполагает рассмотрение предельного состояния, при котором все элементы в сечении достигли предельного состояния за исключением материала усиления (Рисунок 4) :
RsхAs + Sigmf хAf 350x0,006556 + 403,2x0.000336 л х =-—-- =-----= 0,1307 м = 13.07сж.
Rb х b' f 14,3 х 1,30
Где: Sigmf= 403,2 МПа; (Растягивающие напряжения, возникающие в ламели при заданном изгибающем моменте)
о
Af = bf х(п х tf ) = 0,12 х 2 х 0,0014 = 0.000336м2 = 3,36 см -суммарная площадь сечений ламелей.
Максимально допустимое значение изгибающего момента:
Rb х V f х х (й0 - 0.5x) + Sigmf х Af х af = [14.3х130 х13.07 х (94.15 - 0.5 х13.07) + 403.2 х 3.36 х13.85]х
М = RbхЬ / хх|-0.5х|+ Sigmf хЛ/х а/ = х 0.000102 = 219.09тс х м
Условная равномерно-распределенная нагрузка q, при действии которой в балке возникает полученный момент:
Ях/2 219,09х8 , _ , , А АС , ■> М =-; я =--— = 5.79 т / м. (или 4,45 т/м2 для равномерно распределенной по площади
8 17.42
плиты балки нагрузки).
Рисунок 4 - Усилия в тавровом сечении после усиления.
Рисунок 5 - Диаграмма состояния бетона. а - трехлинейная диаграмма состояния сжатого бетона; б -
двухлинейная диаграмма состояния сжатого бетона
3. Моделирование в ПК ЛИРА-САПР. При моделировании работы железобетонной балки в ПК ЛИРА-САПР необходимо учитывать нелинейность деформирования бетона. Во многих нормативных документах, и инженерных расчетах в качестве рабочих диаграмм состояния бетона используется трехлинейная (Рисунок 5 а) и двухлинейная (Рисунок 5 б) диаграммы, определяющие зависимость между
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
напряжениями и относительными деформациями. (...) По результатам анализа многих моделей, описывающих поведение бетона под нагрузкой, предложенных российскими исследователями, можно принять упрощенную двухлинейную диаграмму напряжения-деформации как более простую. Кроме того, эта диаграмма удобна для практических расчетов, так как с достаточной точностью может характеризовать напряженно-деформированное состояние бетона [4, с. 32-39].
При моделировании работы железобетонной балки в ПК ЛИРА-САПР необходимо учитывать нелинейность деформирования бетона. Когда бетон растянутой зоны достигает предельных растягивающих напряжений, он должен выключаться из работы. Потому для расчета в ПК ЛИРА САПР воспользуемся расчетным процессором прежних версий, который позволит нам справиться с нелинейной постановкой задачи. На Рисунке 6 представлен закон нелинейного деформирования бетона. В колонке «Напряжение» указаны соответствующие значения расчетного сопротивления бетона растяжению Rbt и сжатию Rb. В колонке деформации - относительные деформации, соответствующие линейному модулю упругости Е=3* 106 т/м2 (Закон Гука e=Rb/E).
Законы нелинейного деформирования материалов
Основной материал | Закон нелинейного деформирования
14 - кусочно-линейный закон деформирования
П Учитывать армирующий материал О Учитывать ползучесть бетона
Загрузить закон из файла
№ записи П-§ | Новая | }<опировать| | Удалить Комментарий
Параметры закона нелинейного деформирования
Деформация Напряжение -
-0.000486 ■1458.6
0 0
З.ЗЗЕ-006 10
[Нарисовать] О — т/мг
4 Sig
/ Eps
гу| Теории прочности (для КЭ пластин)
| Наибольших главных |
Пре дельн. напряжение
Растяжение:
-1458.6 т/м*
т/м*
(.охранить закон в файл
® Текущии закон Все законы проекта
Подтвердить | Отменить | Справка |
Рисунок 6 - Задание закона нелинейного деформирования бетона в ПК ЛИРА-САПР
После достижения предельных напряжений образуется горизонтальная площадка и материал выключается из работы. Чтобы остаточные напряжения растянутой зоны бетона не отражались на результатах, занизим значение Rbt до 10 т/м2. Таким образом растягивающие напряжения будут восприниматься только рабочей арматурой.
3.1 Модель 1 «Балка-стенка». Расчетная схема состоит из физически нелинейных плоских КЭ плоской задачи (балка-стенка), моделирующих работу бетона конструкции, и универсальных пространственных стержневых элементов, моделирующих рабочую арматуру. Материал усиления представлен геометрически нелинейным пространственным стержневым КЭ (нить) (Рисунок 7.)
Рисунок 7 - Моделирование ламели конечным элементом «Нить»
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
Особенности данной модели.
Плюсы:
- Простота и удобство при моделировании
- Расчет занимает несколько минут
Минусы:
- Не учитывается объемная работа конструкции
- Позволяет моделировать только усиление по нижней грани балки.
3.2 Модель 2 «Объемная». Расчетная схема состоит из физически нелинейных универсальных пространственных 8-ми и 6-ти узловых КЭ, моделирующих работу бетона конструкции, и универсальных пространственных стержневых элементов, моделирующих рабочую арматуру. Материал усиления представлен универсальными прямоугольными КЭ оболочек (Рисунок 8, 9).
Рисунок 8 - Пространственная модель
Рисунок 9 - Материал усиления
Особенности данной модели
Плюсы:
- Позволяет учитывать фактическую геометрию сечения балки (вуты и переменную по высоте сечения толщину ребра балки)
- Учитывает пространственную работу конструкции.
- Позволяет рассматривать различные схемы усиления (по низу, по боковым граням ребра, усиление в приопорной зоне)
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
Минусы:
- Продолжительность расчета (при 10 шагах нагружения для данной модели продолжительность расчета составила 1ч.)
- Сложности при моделировании.
4. Расчет.
4.1. Модель 1 «Балка-стенка» (до усиления)
Наблюдается прекращение роста напряжений в бетоне растянутой зоны при достижении предельно допустимых значений напряжений. Превышающие напряжения перераспределяются между рабочими элементами конструкции. Бетон растянутой зоны практически сразу выключился из работы, и растягивающие напряжения воспринимались только рабочей арматурой. Наибольшие напряжения в сжатом бетоне: оь = 1 458.6 т/м2 (Rb = 1 458.6 т/м2) Наибольшие напряжения в рабочей арматуре: os=N/As=45.57/0.00123=37 048 т/м2 (R = 35 700) т/м2, Остальные арматурные стержни приблизились к значению Rs «Балка-стенка» (после усиления) Наибольшие напряжения в сжатом бетоне: оь = 1 458.6 т/м2 (Rb = 1 458.6 т/м2) Наибольшие напряжения в рабочей арматуре: Os=N/As=46.35/0.00123=37 682 т/м2 (Rs = 35 700) т/м2, Остальные арматурные стержни приблизились к значению Rs. Наибольшие напряжения в КМ: Of=13,594/0,000336=40 458 т/м2 (of = 41 126 т/м2 ). 4.2 Модель 2. Объемная модель (до усиления)
Так же, как и в Модели 1 наблюдается выключение бетона растянутой зоны из работы.
Наибольшие напряжения в сжатом бетоне:
оь = 1 458.6 т/м2 (Rb = 1 458.6 т/м2)
Наибольшие напряжения в рабочей арматуре:
Os=N/As=22,074 /0.000615=35 892 т/м2 (Rs = 35 700) т/м2,
Остальные арматурные стержни приблизились к значению Rs.
Объемная модель (после усиления)
Наибольшие напряжения в сжатом бетоне:
оь = 1.6 т/м2 (Rb = 1 458.6 т/м2)
Наибольшие напряжения в рабочей арматуре:
Os=N/As=21,955 /0.000615=35 699 т/м2 (Rs = 35 700) т/м2,
Остальные арматурные стержни приблизились к значению Rs.
Наибольшие напряжения в КМ:
Of=40 983 т/м2 (of = 41 126 т/м2 )
5. Анализ полученных результатов. В ходе исследования установлено следующее:
1. Обе расчетные модели справились с нелинейной постановкой задачи. Бетон растянутой зоны был выключен из работы.
2. По картине усилий в арматуре заметно, что в объемной модели самым нагруженным оказывается самый нижний стержень, в то время как в модели «балка-стенка» перегруженными оказались 4-й и 5-й стержни снизу, что не совсем характерно для данной конструкции.
3. После усиления балки КМ её несущая способность увеличилась на 6,6%. При этом результаты, полученные в ходе программного расчета, практически совпадают с ручным расчетом.
6. Вывод. Приняв во внимание всё вышесказанное можно сделать вывод: обе модели годятся для расчета подобных конструкций. Но следует отметить, что объемная модель дает более полную картину НДС конструкции, правильнее учитывает распределение напряжений, но при этом затрачивает очень много
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №03-1/2017 ISSN 2410-6070_
времени на расчет. В то время как модель «балка-стенка» справляется с подобной задачей за несколько минут.
Список использованной литературы:
1. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование возможности и области рационального применения гибких лент и тканей из композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений с разработкой ОДМ» — Москва, 2011. — С. 9.
2. Бащжанов А.Е. Применение инновационных композитных материалов в усиление железобетонных элементов конструкций // Наука, техника и образование. — 2015. — №4(10). — С. 117.
3. MBrace® Система усиления строительных конструкций композитными материалами // НовыеТехнологии. URL: http://www.nt-stroy.ru/pdfdoc/buklet/usilenie-konstrukcii.pdf 2011
4. Мехди Д. М. Несущая способность железобетонных изгибаемых элементов с высокопрочным бетоном в сжатой зоне при кратковременном загружении // Диссертация на соискателя ученой степени кандидата наук. — Воронеж: ВГАСУ, 2016. — С. 38-39.
© Соловьев С.С, Пустовалова М.Ю., 2017
УДК 621
А.В. Степаненко
Ст. преподаватель кафедры «Управление промышленной и экологической безопасностью»
ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»
г. Тольятти, Российская Федерация Л.А. Угарова
К.п.н., доцент кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей» ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»
г. Тольятти, Российская Федерация
ВНЕДРЕНИЕ НАУКОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС РОССИИ, КАК ОДИН ИЗ КЛЮЧЕВЫХ ФАКТОРОВ ЕГО РАЗВИТИЯ
Аннотация
В данной статье рассматриваются вопросы зависимости развития машиностроительного комплекса России от внедрения наукоемких технологий.
Применение устаревших технологий в машиностроительном комплексе является главным сдерживающим фактором увеличения объемов производства и развития комплекса в целом, что тормозит автоматизацию производственных и технологических процессов и негативно влияет на безопасность всей отрасли.
С целью решения поставленных вопросов в статье исследуются наиболее рациональные пути и способы внедрения наукоемких технологий и автоматизации производственных и технологических процессов.
Ключевые слова
Машиностроительный комплекс, автоматизация производственных и технологических процессов, наукоемкие технологии, энергозатратные производственные процессы, безопасность машиностроительной отрасли.
Машиностроительное производство является сложным, многогранным и энергозатратным технологическим процессом.
Наукоемкость - это один из показателей, характеризующих технологию и отражающий степень ее
