Введение

Продавливание является одним из наиболее опасных видов разрушения железобетонных плит перекрытий, возникающим в зонах передачи сосредоточенных нагрузок от колонн или опорных стен. Данный вид разрушения носит хрупкий характер и приводит к внезапной потере несущей способности конструкции [1].

В условиях реконструкции зданий, изменения функционального назначения сооружений или увеличения эксплуатационных нагрузок возникает необходимость усиления плит перекрытий. Одним из современных и эффективных способов усиления является применение композитных материалов на основе углеродных волокон (CFRP) [2].

Вместе с тем, вопросы учета композитного усиления при расчете продавливания остаются недостаточно проработанными, особенно в рамках расчетных программ, основанных на методе конечных элементов.

Целью данной работы является анализ методов расчета плит перекрытий на продавливание с учетом усиления композитными материалами в программном комплексе SCAD.

Нормативные методы расчета продавливания

Согласно действующим нормативным документам, расчет продавливания выполняется по контрольному периметру, расположенному на определенном расстоянии от грани колонны [1].

Суть расчета заключается в сравнении расчетного поперечного усилия с несущей способностью бетона по касательным напряжениям. При этом учитываются геометрические параметры конструкции, класс бетона и армирование.

Однако нормативные документы не содержат прямых указаний по учету композитного усиления при расчете продавливания. В связи с этим расчет выполняется с использованием инженерных допущений или корректирующих коэффициентов [2].

Методика численного моделирования в SCAD

Для анализа работы плиты перекрытия была построена конечно-элементная модель в программном комплексе SCAD.

Рассматривалась плита размером 12х12 м, опирающаяся на колонны, расположенные с шагом 6х6 м. Общее количество колонн — 9.

Были рассмотрены два варианта соединения плиты с колоннами:

— без применения элемента связи АЖТ;

— с использованием элемента АЖТ.

Плита моделировалась с использованием пластинчатых конечных элементов. Усиление композитными материалами учитывалось следующими способами:

— введение дополнительных слоев;

— увеличение эквивалентной жесткости;

— моделирование усиления в виде распределенного слоя.

При этом принималось допущение о полной совместной работе бетона и композитного материала.

Результаты расчета и их анализ

Результаты расчета указаны в Таблице 1 и Таблице 2.

Таблица 1

Относительное изменение вертикальных перемещений в зависимости от типа усиления

Таблица 2

Коэффициент усиления конструкций

Анализ показывает, что ламели практически не влияют на жесткость системы, тогда как углеродная ткань приводит к заметному снижению прогибов.

Изменения изгибающих моментов носят незначительный характер, что свидетельствует о слабом влиянии усиления на перераспределение изгибающих усилий.

Касательные напряжения в зоне колонн изменялись незначительно.

При этом при моделировании усиления углеродной тканью наблюдалось увеличение локальных напряжений в бетоне. Это связано с перераспределением усилий вследствие повышения жесткости усиленной зоны и принятым допущением о полной совместной работе материалов.

Обсуждение результатов

Полученные результаты показывают, что эффективность композитного усиления зависит от способа его моделирования и характера работы конструкции.

Ламели, расположенные в пролете, практически не влияют на работу плиты при продавливании, поскольку не вовлекаются в работу приопорной зоны.

В то же время углеродные ткани, моделируемые как сплошной слой, увеличивают жесткость конструкции и приводят к перераспределению усилий.

Следует отметить, что расчет в SCAD не учитывает ряд факторов, таких как:

— частичное сцепление материалов;

— трещинообразование;

— нелинейная работа бетона.

Это может приводить к искажению реальной картины напряжений.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности конечно-элементной модели к параметрам жесткости усиленной зоны. При моделировании композитного усиления в виде эквивалентного слоя происходит изменение локальной жесткости конструкции, что приводит к перераспределению внутренних усилий.

При этом предположение о полной совместной работе бетона и композитного материала не учитывает реальные механизмы взаимодействия, такие как частичное сцепление, отслоение и трещинообразование, что может приводить к завышению локальных напряжений.

Таким образом, применение линейных конечно-элементных моделей для оценки продавливания с учетом композитного усиления требует дополнительной калибровки и сопоставления с экспериментальными данными [3].

Выводы

1. Напряженно-деформированное состояние плиты в SCAD определяется в первую очередь жесткостью расчетной схемы.
2. Усиление ламелями CFRP практически не влияет на прогибы и изгибающие моменты.
3. Усиление углеродными тканями приводит к снижению прогибов и перераспределению усилий.
4. Рост напряжений в бетоне при усилении связан с особенностями конечно-элементной модели.
5. SCAD не позволяет напрямую оценить несущую способность при продавливании с учетом композитного усиления.
6. Для корректного расчета необходимо использовать комбинированный подход: МКЭ + нормативные методы.

Литература:

1. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2018. 120 с.
2. СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования. М.: Минстрой России, 2014. 76 с.
3. Анна, А. Д. Расчёт усиления железобетонных плит углеродными композиционными материалами. / А. Д. Анна, Д. К. Виктор. — Текст: непосредственный // Инженерно-строительный журнал. — 2009. — № 3.
4. Татьяна, С. М. Внешнее армирование железобетонных колонн композиционным материалом на основе углеволокон / С. М. Татьяна, Д. К. Виктор. — Текст: непосредственный // Инженерно-строительный журнал. — 2010. — № 3.