Результаты конечно-элементного моделирования конструкций восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн

Использование современных систем автоматизированного инженерного анализа (Computer Aided Engineering — CAE) является на сегодня одним из наиболее эффективных способов оценки прочности, прогнозирования долговечности и оптимизации конструкций и технологических процессов их производства. Среди систем автоматизированного инженерного анализа широкое применение получили следующие программные комплексы: SCAD [1], Lira [2], ANSYS [3], NASTRAN [4] и др. Моделирование конструкций восстановления работоспособности осуществлялось с помощью программно-вычислительного комплекса ANSYS. Программа ANSYS является одной из наиболее эффективных CAE-систем, позволяющая получить высокоточные результаты.

ANSYS (ANSYS, Inc) — многоцелевая программа, предназначенная для решения задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, электромагнетизма, оптимизации, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и электромагнетизма, теплопереноса и электромагнетизма [5].

Численное моделирование конструкций восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн, как и физический эксперимент [6], проводилось в 3 этапа:

• моделирование консоли колонны с арматурой;

• моделирование балансирного устройства;

• моделирование сталетрубобетонной обоймы.

Первый этап — моделирование консоли колонны с арматурой заключался в построении геометрии консоли, задание свойств материалов, разбиение на конечные элементы и определение граничных условий решения. Соединение арматуры и бетона производилось через уравнения связей, закрепления — по нижней и верхней вертикальным граням колонны. Приложение нагрузки в размере 13,125 МПа выполнено с помощью команды Pressure (давление), область нагружения аналогична физическому эксперименту. На рисунках 1–2 представлены результаты расчета.

Рис. 1. Напряжения по оси У

Рис. 2. Перемещения по оси У

Второй этап — моделирование восстановления работоспособности консоли колонны с помощью балансирных устройств — выполнялся в двух вариантах: с центратором без усиления и с центратором, усиленным пластинами. Приложение нагрузки в размере 2746,8 гН (центратор без усиления) и 2943 гН (усиленный центратор) выполнено с помощью команды Force (сила), область нагружения аналогична физическому эксперименту. В ходе конечно-элементного моделирования были решены контактные задачи с помощью расширенного метода Лагранжа, который представляет итеративный ряд штрафных корректировок при поиске точечных множителей (коэффициентов) Лагранжа (т. е. контактных сил сцепления) [7]. Контакт накладывался в области пересечения объемных элементов конструкции. На рисунке 3 представлены результаты расчета балансирных устройств с центратором без усиления, а на рисунке 4 — результаты расчета балансирных устройств с усиленным центратором.

Рис. 3. Напряжения по оси У на балансирном устройстве

Рис. 4. Напряжения по оси У на балансирном устройстве с усиленным центратором

Третий этап — моделирование сталетрубобетонных обойм. В процессе численного моделирования была решена контактная задача методом внутренних многоточечных связей, в котором добавляются уравнения, ограничивающие движение деталей и их взаимное перемещение в зоне контакта. На рисунках 5–6 представлены результаты расчета.

Рис. 5. Напряжения в сталетрубобетонной обойме по оси У

Рис. 6. Перемещения сталетрубобетонной обоймы У

Выводы:

1. Анализ результатов расчета консоли колонны показывает, что характер разрушения и напряженно-деформированное состояние аналогичны данным, полученным в ходе физического эксперимента.

2. Анализ результатов расчета восстановления работоспособности консолей колонн с помощью балансирных устройств показывает, что характер разрушения и напряженно-деформированное состояние сопоставимы с физическим экспериментом. Разница напряжений в контрольных точках не превышает 12 %. Максимальные деформации не превышают 5,4мм.

3. Замена поперечного сечения центратора на коробчатое позволяет снизить напряжения на элементах конструкции от 10 % до 206 %.

4. Анализ результатов расчета восстановления работоспособности консолей колонн с помощью сталетрубобетонных обойм показывает, что характер разрушения и напряженно-деформированное состояние сопоставимы с физическим экспериментом. Разница напряжений в контрольных точках не превышает 11 %. Максимальные деформации не превышают 2мм.

Литература:

1. SCAD Structure — программы для проектирования стальных и железобетонных конструкций [Электронный ресурс] URL: http://www.scadgroup.com/ (дата обращения 18.11.2012)

2. ПК ЛИРА-САПР, МОНОМАХ-САПР. Системы Автоматизированного проектирования и расчета зданий [Электронный ресурс] URL: http://www.rflira.ru/ (дата обращения 18.11.2012)

3. ANSYS — Simulation Driven Product Development [Электронный ресурс] URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения 18.11.2012)

4. NEi Nastran в России и СНГ — Система конечно-элементного анализа CAD/FEA/CAE http://www.nenastran.ru/ (дата обращения 18.11.2012)

5. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. — ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. Изд. 2-е, испр. М.: ЛЕНАНД, 2010. — 456с.

6. Результаты экспериментального исследования по восстановлению работоспособности железобетонных консолей колонн теплоэлектроцентрали [Текст]/ А. Н. Жуков, К. К. Нежданов, Булавенко В.О // Академический Вестник УралНИИПроектРААСН. — 2012,№ 3, с.69–74.

7. Решение контактных задач в Ansys 6.1- Cadfem/ М.:Cadfem, 2003. — 138 с.