В статье производится описание моделирования бетонной призмы с центрально расположенным стержнем на выдергивание при воздействии нагрева на образец в программном комплексе ANSYS 2021.
Ключевые слова: арматура, бетон, температура, анкеровка, ANSYS
В настоящее время, здания и сооружения, выполненные из монолитного и сборного железобетона, занимают высокую долю на строительном рынке. Также объем существующих железобетонных конструкций в РФ очень значительный. Исследование совместного действия арматуры и бетона ведется по сегодняшний день.
Различные типы производственных отраслей делают большой запрос на модернизацию, увеличение мощностей производства и реконструкцию существующих технологических процессов. В связи с этим встает необходимость для возведения зданий и сооружений из монолитного и сборного железобетона, а также определение технического состояния существующих конструкций. Значительное количество крупных отраслей промышленности в рамках осуществления сложных технологических процессов прибегает к использованию высоких температур. Значительные повышения температурных режимов в зданиях и сооружениях влияют на состояние железобетонных конструкций. Одним из наиболее важных факторов является сцепление арматуры с бетоном. При высоких температурных воздействиях показатели сцепления ухудшаются.
Сопротивление бетона продольным смещениям арматуры обычно называют сцеплением. Оно обусловлено совместной работой арматуры и бетона в железобетонной конструкции. Свойства сцепления арматуры с бетоном значительно влияют на механические характеристики железобетонных конструкций. При нарушении взаимодействия арматуры и бетона конструкция представляет собой отдельные элементы.
Первыми, кто исследовал оценку прочности анкеровки арматуры, были немецкие исследователи Загилер Р. И BchG [1].
Изначально опыты были направлены на проверку прочности анкеровки арматуры в бетонном образце для концевых усилий отгибов, крюков и петель. Что повлекло за собой исследование анкеровки за счет сцепления современных профилей с бетонами высокой прочности. В этой постановке сцепление рассматривалось как силовая характеристика, которая зависела от многих факторов. Так или иначе, в середине двадцатого века Столяров Я. В. предположил, что сцепление напрямую зависит от клеящей способности цементного геля и трения, возникающего между материалами от радиальных напряжений усадки бетона.
Столяров Я. В. отметил в своих исследованиях две группы факторов [2]. В первую группу он включил ряд факторов, которые существенно влияют на скольжение арматуры в бетоне. К ним относятся зацепление выпусков за бетон, трение от усадки и склеивание арматуры с бетоном.
НДС в зонах перераспределения напряжений весьма неоднозначно. Оно зависит от огромного количества факторов в совокупности. Также Abrams D. А. в своих работах установил, что НДС на участках действия касательных напряжений сцепления значительно изменяется под действием нагрузки. Так как на сцепление влияет огромное количество факторов, и оценка вызывает трудности, возникла необходимость в применении феноменологического подхода математического анализа опытных данных на основе упрощающих предпосылок.
На основе исследований Абрамса, Столяров Я. В. в 1913 г. построил кривую зависимости напряжений сцепления τсц от «деформаций скольжения» для стержня с переменным профилем [2]. Однако, впервые о зависимости между напряжениями сцепления и взаимными смещениями арматуры относительно бетона заговорил Фрайфельд С. Е. в 1941 г [3].
В результате испытаний Холмянский М. М. определил величину взаимных смещений арматуры относительно бетона ∆ [4]. Исследования заключались в наблюдении за смещением арматуры относительно бетона при передаче предварительных напряжений и выдергивании арматуры из призм, опертых торцом. В целях упрощения расчетного аппарата без снижения общей точности при анализе сцепления в рассматриваемых допустимых границах смещений в стыке или ширины раскрытия трещины стал использоваться упруго-пластический закон сцепления (диаграмма Прандтля), аппроксимирующий нормальный закон сцепления. Этот закон экспериментально установлен М. М. Холмянским:
Численный эксперимент был реализован в программном комплексе ANSYS 2021.
Построение геометрии
Для построения 3D модели был использован модуль параметрического моделирования DesignModeler (рисунок 1). Чтобы эксперимент был близок к реальности, арматурный профиль и бетонная призма моделировались объемными телами. Арматурный стержень был реализован по ГОСТ 34028–2016 [5]. Бетонная призма имеет геометрические параметры 150x150x600. Арматурный стержень был заведен в тело бетона на номинальную длину анкеровки, согласно требованиям СП 63.13330.2018 [6]
Рис. 1. Геометрическая модель
Задание физико-механических свойств материалам
Для назначения физико-механических свойств материалов применен модуль Engineering-Data.
Прочностные параметры материалов для арматуры Ø12 A400 и бетона класса В25 представлены на рисунке 2, 3.
Рис. 2. Физико-механические свойства стальной арматуры класса А400
Рис. 3. Физико-механические свойства материала для бетона класса В25
Для того чтобы учесть влияние температуры на образец, был добавлен график изменения коэффициента температурного расширения α до 500 °С для стальной арматуры (рисунок 4) и бетона (рисунок 5).
Рис. 4. Изменение коэффициента температурного расширения α в зависимости от температуры для стальной арматуры
Рис. 5. Изменение коэффициента температурного расширения α в зависимости от температуры для бетона
При помощи BISO (BilinearIsotropicHardening) были заданы нелинейные свойства стальной арматуры согласно СП 63.13330.2018 [6] для двухлинейной диаграммы деформирования на растяжение (рисунок 6)
Рис. 6. Двух-линейная диаграмма деформирования стальной арматуры класса А400
Чтобы охарактеризовать нелинейные свойства бетона была использована поверхность пластичности Menetrey-Willam [7]. Данная модель лучше всего подходит для моделирования поведения связанных инертных материалов, таких как бетон.
Описание численного эксперимента
Целью данного эксперимента является определение касательных напряжений по длине контакта арматуры и бетона
Для этого были назначены граничные условия задачи:
1) Торец призмы был защемлен, то есть были ограничены все степени свободы.
2) По условиям эксперимента арматурный стержень выдергивался из бетонного образца на 5 мм.
3) Были выбраны температурные режимы: 22°С, нагрев образца до 200°С и нагрев образца до 300°С.
Рис. 7. Процесс нелинейного расчета
Результаты и выводы
В результате проведенного эксперимента были определены показатели касательных напряжений по длине контакта арматура-бетон.
Рис. 8. Распределение касательных напряжений Shear Stress (XY Component) в зоне контакта
Изменение касательных напряжений в зависимости от температуры приведены на графике.
Рис. 9. График изменения касательных напряжений от смещения образца
Вывод:
С помощью программного комплекса Ansys было проведено сравнение касательных напряжений в образцах при одинаковой приложенной нагрузке. На базе результатов можно сказать, что влияние температуры существенно влияет на сцепление арматурного стержня с бетоном.
Так при смещении образца равном ∆=1,5e-3 мм значение сцепления τсц в этой точке при:
1) 22°Сравно 6,3 МПа.
2) 200°С равно 5,2 Мпа.
3) 300°С равно 3,8 МПа
Литература:
- Залигер, Р. Железобетон, его расчет и проектирование. М. — Л.: Госиздат. 1928. -с.671.
- Столяров, Я. В. Введение в теорию железобетона. М. — Л.: Стройиздат, 1941. -447 с.
- Фрайфельд, С. Е. Практический метод расчета железобетонных конструкций с учетом реологических свойств материалов /О. В. Пальчинский/ Строительные конструкции: Сб. тр. ЮжНИИ. вып. 3. — Харьков, 1959. — с. 17–22.
- Сцепление стержневой арматуры периодического профиля с бетоном / М. М. Холмянский, Б. С. Гольдфайн, В. М. Кольнер и др. // Сцепление арматуры с бетоном. — М., 1971- С.31–37.
- ГОСТ 34028–2016 «Прокат арматурный для железобетонных конструкций».
- СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции».
- Menetrey, P. «Numerical Analysis of Punching Failure in Reinforced Concrete Structures». Diss. Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, 1994. Infoscience. Web.А.Ф.
- Милованов, «Железобетонные температуростойкие конструкции». Издательство НИИЖБ, 2005 г.
- Николюкин, А. Н. Моделирование совместной работы арматуры с бетоном на примере композитной арматуры / А. Н. Николюкин. — Текст: электронный // DisserCat — электронная библиотека диссертаций: [сайт]. — URL: https://www.dissercat.com/content/modelirovanie-sovmestnoi-raboty-armatury-s-betonom-na-primere-kompozitnoi-armatury (дата обращения: 04.06.2022).
- Николюкин, А. Н. Аналитическое исследование величины сцепления цементного геля между арматурой и бетоном / А. Н. Николюкин и др. — Текст: электронный // Cyberleninka: [сайт]. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiticheskoe-issledovanie-velichiny-stsepleniya-tsementnogo-gelya-mezhdu-armaturoy-i-betonom (дата обращения: 04.06.2022).
