Сравнение несущей способности трубобетонных колонн круглого и квадратного сечения

Для определения несущей способности колонн круглого и квадратного сечения была выполнена численная модель трубобетона в программном комплексе Ansys Workbench. Получены результаты при центральном сжатии образцов, при внецентренном сжатии с различным значением относительного эксцентриситета, а также проведен краткий сравнительный анализ полученных данных.

Ключевые слова: трубобетон, центральное сжатие трубобетона, внецентренное сжатие трубобетона, физическая нелинейность, несущая способность, численное моделирование.

Современные здания и сооружения нуждаются в вертикальных несущих конструкциях, которые при небольшом размере сечения способны нести большие нагрузки. С данной задачей справляются трубобетонные колонны, которые состоят из бетонного ядра, заключенного в стальную оболочку.

На данный момент наиболее широко применяются трубобетонные колонны круглого сечения. Это объясняется тем, что эффект обоймы, который наблюдается в трубобетоне и благоприятно влияет на его несущую способность, в круглых колоннах проявляется заметно больше, чем в квадратных. Однако, как утверждает А. Л. Кришан [1], активно изучавший в последние годы трубобетонные конструкции, квадратные колонны работают лучше при больших значениях эксцентриситета.

На сегодняшний день в СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» [2] приведен расчет трубобетонных колонн только круглого сечения, а квадратные колонны нуждаются в дальнейшем всестороннем изучении.

Для получения достоверной модели трубобетона требуется программный комплекс, который позволит решать задачу в нелинейной постановке, одним из них является Ansys Workbench.

При моделировании трубобетона в Ansys Workbench была учтена физическая нелинейность бетона и стали. Работа бетона описана нелинейной диаграммой деформирования с использованием модели Друкера-Прагера. Между стальной оболочкой и бетонным ядром задан контакт в виде трения с коэффициентом 0,45. Колонна жестко закреплена снизу, приложен собственный вес конструкции, а также задана сжимающая нагрузка через пошаговое перемещение. Общий вид расчетной схемы трубобетонной колонны круглого сечения приведен на рисунке 1, некоторые геометрические параметры и характеристики материалов указаны в таблице 1.

Рис. 1. Общий вид расчетной схемы трубобетонной колонны круглого сечения

Характеристики трубобетонных колонн

В результате расчета на центральное сжатие были получены значения несущей способности трубобетона. Для колонн круглого сечения — 1280кН, для колонн квадратного сечения — 1262 кН (рисунок 2).

а)

б)

Рис. 2. График зависимости нагрузки от перемещения для трубобетонной колонны при центральном сжатии: а — круглое сечение; б — квадратное сечение

Расчет трубобетонных колонн круглого и квадратного сечения на внецентренное сжатие производился при различных относительных эксцентриситетах. При e/b = 0,125 значение эксцентриситета равно e = 17,5мм, при e/b = 0,25 — e = 35 мм, при e/b = 0,5 — e = 70 мм. Полученную несущую способность можно проследить на графиках, приведенных на рисунках 3, 4 и в таблице 2.

а)

в)

Рис. 3. — График зависимости нагрузки от перемещения для трубобетонной колонны круглого сечения при внецентренном сжатии: а — e/b = 0,125; б — e/b = 0,25; в– e/b = 0,5

а)

б)

в)

Для анализа полученных результатов приведена сравнительная таблица несущей способности различных сечений трубобетонных колонн в зависимости от значения эксцентриситета (таблица 2).

Таблица 2

Несущая способность трубобетона

Исходя из анализа полученных данных, можно сделать вывод, что круглое сечение является перспективным при использовании трубобетона в качестве центрально сжатых элементов или при малых эксцентриситетах (до e/b < 0,25). При больших эксцентриситетах эффективнее использовать квадратное сечение. Хотя стоит отметить, что разница в несущей способности для круглого и квадратного сечения при центральном и внецентренном сжатии при любых эксцентриситетах незначительна и составляет менее 2 %.

Литература:

1. Кришан А. Л., Сабиров Р. Р., Суровцов М. М. Трубобетонные колонны круглого, кольцевого и квадратного поперечного сечения: монография/Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2014. — 209с.
2. СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» (с Изменениями № 1,2,3, с Поправками). [Электронный ресурс]. ИС «Техэксперт» (дата обращения 01.08.2024).
3. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Данилов М. Н., Захарова Ю. В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017, 210с.
4. Кришан А. Л., Мельничук А. С. Трубобетонные колонны квадратного сечения // Жилищное строительство, 624.075.23, 2012, с.19–20.
5. Кикин А. И., Санжаровский Р. С., Трулль В. А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. М., Стройиздат, 1974, 144с.
6. Кришан А. Л., Римшин В. И., Астафьева М. А. Сжатые трубобетонные элементы. Теория и практика: монография. М.: Издательство АСВ, 2020, 322с.
7. Лукша Л. К. Прочность трубобетона. Мн., «Высшая школа», 1977, 96с.
8. Росновский В. А. Трубобетон в мостостроении. М., Трансжелдориздат, 1963, 109с.