Для анализа пространственной работы монолитных перекрытий по металлическим балкам с частично или полностью нарушенным сцеплением анкеров проведен численный эксперимент с помощью ПК Ansys. Проанализированы две расчетные модели с учетом и без учета нелинейных свойств металла и сравнения их между собой.
Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, численные эксперименты, деформации, напряжения, нарушенное сцепление.
Монолитные перекрытия по металлическим балкам. В конструкциях промышленных зданий, в специфику больших нагрузок, ключевым расчетом является по первой группе предельных состояний, в свою очередь расчету по второй группе предельных состояний уделяется меньше внимания, так как условие ограничения перемещай и прогибов выполняется автоматически. В отличии же от промышленных зданий, определяющим для гражданских становится расчет по второй группе предельных состояний, по причине относительно малых нагрузок.
Современные методы расчета, предписанные в нормативных документах [1–3], не позволяют достоверно оценить деформации конструкций, потому что в основе данных расчетов положены предпосылки об упругой и упругопластической работе материала, то есть расчеты ведутся с использованием недеформатированых схем. По мимо этого, положение усугубляется, не всегда качественным выполнением монтажных работ, что может приводить к нарушению сцепления между конструкциями.
Если условное сцепление бетона с металлической частью перекрытие не соблюдено, то на границе материалов происходит взаимное проскальзывание, что ведет к уменьшению несущей способности и увеличению прогибов [4].
Анализируя опыт применения сталежелезобетонных перекрытий, показывает, что развитие прогибов и перемещений происходит с течением времени. Совокупность всех факторов приводит не только к дискомфорту при эксплуатации конструкций, но и к аварийному состоянию, приводящие к невозможности дальнейшей эксплуатации конструкций.
Для оценки влияния несущей способности и прогибов монолитного перекрытия по металлическим балкам с нарушенным сцеплением анкеров с бетоном, была использована численная модель в ПК Ansys.
Процесс решения задачи при применении ПК Ansys производится в три этапа. На первом этапе производятся необходимые настройки программы для решения задачи, генерируется геометрическая модель конструкции, разбивается модель на конечные элементы с применением различных параметров сетки, задаются необходимые условия контакта между бетоном и сталью. На втором этапе для решения задачи накладываются необходимые граничные условия, выбирается необходимый тип анализа, метод и параметры вычислений. На третьем этапе производится непосредственный анализ расчета.
Расчетная модель имеет следующие параметры: железобетонная плита 6000х4000 высотой 100 мм, армирование сварными сетками из арматуры А500С 10 диаметра, подкрепленная 4 двутаврами № 20 по ГОСТ 8239–89 длиной 6000 мм с шагом 1000 мм (рис. 1)
Рис. 1. Расчетная модель перекрытия
Совместная работа стальных балок и железобетонной плиты обеспечивается при помощи вертикальных анкерных стержней, приваренных по всей длине к верхнему поясу двутавра с шагом 200 мм.
В качестве анкеров были замоделированы арматурные стержни ø10 из стали С245, обеспечение совместной работы производилось контактом Rough, так же случайным образом некоторым анкерам был задан контакт Frictionless, для моделирования отсутствия сцепления между бетоном и анкером.
В качестве объекта исследования были применены 2 расчетные модели с идентичными параметрами, но с различием в материалах. Для первой расчетной модели (тип 1) была применена нелинейная модель стали, для второй модели (тип 2) применялась линейная модель стали.
По результатам исследования в программном комплексе были получены результаты прогибов (рис. 2) и результаты развития деформаций в балках и плите (рис. 3) с учетом нелинейных свойств металла. Для сравнения были так же получены аналогичные результаты, но с применением линейной модели материала (рис. 4, 5). Анализируя полученные результаты прогибов можно наблюдать последовательное развитие деформаций от середины к концам балок, в плите наблюдается развитие прогибов от середины к стальным балкам, которые выступают в качестве опоры. Картина развития деформаций в металлических балках отличается в меньшую сторону от деформаций отдельных балок [5].
Рис.2. Мозаика прогибов (тип 1)
Рис. 3. Мозаика нормальных напряжений (тип 1)
Рис. 4. Мозаика прогибов (тип 2)
Рис. 5. Мозаика нормальных напряжений (тип 2)
Благодаря пространственной работе конструкции развитие деформаций как в балках, так и в железобетонной плите протекает с меньшей интенсивностью в сравнении с отдельными балками такого же сечения. По мимо этого железобетонная плита работает в двух направлениях, что позволяет распределять нагружение балок равномерно.
Картина напряжений в анкерных стержнях (рис. 6) показывает, что в стержнях с нарушенным сцеплением возникают наибольшие значения, не зависимо от их расположения в пролете, в свою очередь для анкеров с обеспеченным сцеплением наблюдается закономерность роста напряжений по мере отдаления от середины пролета. Так же у анкеров с нарушенным сцеплением наблюдается наибольшая зона смятия бетона.
Рис. 6. Мозаика напряжения анкеров
Используя для расчетов ПК Ansys можно получить достаточно достоверную картину распределения информаций, напряжений, а так же прогибов, показывающих пространственную работу конструкции в целом [6].
Подводя итог, основываясь на полученных данных, можно наблюдать следующую картину, численная модель, наглядно демонстрирует характер развития напряжений и деформаций перекрытия. В свою же очередь анализируя работу анкеров, можем наблюдать, что происходит иное распределение напряжений, в отличии от конструкций с полностью обеспеченным сцеплением, основываясь на этом можно сказать, при незначительном количестве анкеров с нарушенным или полностью отсутствующем сцеплении, происходят незначительные увеличения деформаций и напряжений плиты и балки, около 10 %. Также происходит увеличение зон смятия бетона пропорционально увеличению напряжений в анкерах с отсутствующим сцеплением.
Литература:
1. СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования. — Введ. 2017–07–01. — М.: Издательство стандартов, 2017.
2. СТО АРСС 11251254.001–2016 «Сталежелезобетонные конструкции правила проектирования». — М.: АРСС,2016.
3. СП 35.13300.2011. Мосты и трубы. — Введ. 2011–05–20. — М.: Издательство стандартов, 2011
- Обернихин Д. В., Никулин, А. И. Экспериментальные исследования деформативности изгибаемых железобетонных элементов различных поперечных сечений // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2017. — № 4. — С. 56–59.
5. Замалиев Ф. С., Гурьянов И. А., Шаймарданов Р. И., Хайрутдинов Ш. Н. Численные и натуральные эксперименты в исследованиях сталежелезобетонных конструкций. // Известия КГАСУ, 2012, № 1 (19). — С. 46–52
6. Замалиев Ф. С. Численные эксперименты в исследованиях пространственной работы сталежелезобетонных перекрытий. // Известия КГАСУ, 2012, № 4 (22). — С.102–107
