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
Таблица 1
Характеристики трубобетонных колонн
|
Сечение колонны |
Размеры сечения |
Площадь сечения |
Толщина стенки трубы |
Высота колонны |
Материал ядра |
Материал трубы |
|
|
159 мм |
198,5 см 2 |
6 мм |
620 мм |
Бетон В25 |
Сталь С255 |
|
квадрат |
140х140 мм |
196 см 2 |
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)
б)
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)
Рис. 4. — График зависимости нагрузки от перемещения для трубобетонной колонны квадратного сечения при внецентренном сжатии: а — e/b = 0,125; б — e/b = 0,25; в– e/b = 0,5
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
|
Круглое сечение |
Квадратное сечение |
|
|
e = 0 |
1280 кН |
1262 кН |
|
e/b = 0,125 (e = 17,5мм) |
940,6 кН |
938 кН |
|
e/b = 0,25 (e = 35 мм) |
752,5 кН |
752,9 кН |
|
e/b = 0,5 (e = 70 мм) |
536,2 кН |
538 кН |
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:
- 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.
- СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» (с Изменениями № 1,2,3, с Поправками). [Электронный ресурс]. ИС «Техэксперт» (дата обращения 01.08.2024).
- Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Данилов М. Н., Захарова Ю. В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017, 210с.
- Кришан А. Л., Мельничук А. С. Трубобетонные колонны квадратного сечения // Жилищное строительство, 624.075.23, 2012, с.19–20.
- Кикин А. И., Санжаровский Р. С., Трулль В. А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. М., Стройиздат, 1974, 144с.
- Кришан А. Л., Римшин В. И., Астафьева М. А. Сжатые трубобетонные элементы. Теория и практика: монография. М.: Издательство АСВ, 2020, 322с.
- Лукша Л. К. Прочность трубобетона. Мн., «Высшая школа», 1977, 96с.
- Росновский В. А. Трубобетон в мостостроении. М., Трансжелдориздат, 1963, 109с.
