Несущая способность узлового соединения цельнокомпозитной плоской решетчатой фермы на листовых фасонках из пултрузионных стеклопластиковых профилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Арипов Далер Насимович

• Арипов Далер Насимович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Арипов Далер Насимович

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКЦИИ ПЛОСКИХ РЕШЕТЧАТЫХ ФЕРМ ИЗ ПУЛТРУЗИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ПРОФИЛЕЙ

1.1. Свойства и характеристики пултрузионного стеклопластика

1.2. Опыт применения пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) в решетчатых конструкциях

1.3. Несущая способность узловых соединений элементов из ПСП

1.4. Выводы по главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОДНОБОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПСП

2.1. Теоретические исследования несущей способности одноболтового соединения с направлением пултрузии (волокон) 0° ^ 90°

2.2. Численные исследования несущей способности одноболтового соединения в программе «АКБУБ»

2.3. Исследование несущей способности одноболтового соединения с применением феноменологического подхода

2.4. Экспериментальные исследования несущей способности одноболтового соединения

2.5. Выводы по главе

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛОСКОЙ ФЕРМЫ ИЗ ПСП

3.1. Анализ методики определения несущей способности узлового соединения согласно «Руководство по проектированию и расчету строительных конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей производства ООО «Татнефть-Пресскомпозит»

3.2. Анализ методики определения несущей способности узлового соединения согласно «Pre-Standard for Load and Resistance Factor Design (LRFD) of Pultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP) Structures»

3.3. Анализ методики определения несущей способности узлового соединения согласно «Prospect for new guidance in the design of FRP »

3.4. Исследование несущей способности узлового соединения с применением феноменологического подхода

3.5. Разработка новых конструктивных решений узлового соединения элементов из ПСП на листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах

3.6. Выводы по главе

4. ЧИСЛЕННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛОСКОЙ ФЕРМЫ ИЗ ПСП И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА С УЧЕТОМ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТОВ И МАЛЫХ ФОРМ НЕСОВЕРШЕНСТВ

4.1. Компьютерное моделирование узлового соединения элементов из ПСП в ПК «ANSYS»

4.2. Экспериментальные исследования несущей способности узлового соединения элементов из ПСП без раскрепления из плоскости

4.3. Совершенствоание методики расчета несущей способности узлового соединения на цельно-листовой фасонке с учетом эксцентриситетов

4.4. Совершенствование методики расчета несущей способности узлового соединения на цельно-листовой фасонке с учетом малых форм несовершенств

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

136

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Несущая способность узлового соединения цельнокомпозитной плоской решетчатой фермы на листовых фасонках из пултрузионных стеклопластиковых профилей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из главных направлений развития экономики страны, как это определено Правительством РФ, является становление индустрии композитов. В настоящее время Российская Федерация находится в числе стран, которые в совокупности производят лишь 5% от общего мирового объема композитов. Одной из приоритетных отраслей внедрения композитов является строительство, в том числе применение легких несущих конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей. Однако, отсутствие нормативной базы на уровне сводов правил и значительного опыта возведения сдерживает применение пултрузионных стеклопластиковых профилей в несущих конструкциях зданий и сооружений.

Известны единичные случаи применения в строительстве решетчатых конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей, в том числе цельнокомпозитных плоских решетчатых ферм. Однако, несущая способность таких ферм ограничена узловыми соединениями, в которых возникают концентраторы напряжений вблизи отверстий под болты. Узловые соединения в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах из пултрузионных стеклопластиковых профилей выполняются преимущественно болтовыми, где усилия передаются под различными углами к направлению пултрузии (волокон). Последние два десятилетия многие исследования посвящены узловым соединениям элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей под прямым углом (вдоль или поперек направлению волокон), где усилия в элементах совпадают или не совпадают с направлением пултрузии (волокон).

Элементы решетки в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах примыкают к поясам под различными углами на листовых фасонках. Согласно существующей технической литературе фасонки для соединения элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей рекомендуется выполнять из стали. В тоже время фасонки из стали допускается заменять фасонками из пултрузионного стеклопластика после предварительных экспериментов,

подтверждающих возможность выполнения предусмотренных функций принятым узловым решением в течение всего периода эксплуатации конструкции. Замена стальных фасонок на стеклопластиковые позволяет более эффективно применять цельнокомпозитные плоские решетчатые фермы в условиях агрессивной среды. Таким образом, изучение реальной работы узлового соединения на листовых фасонках из пултрузионного стеклопластика в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах играет важную роль, является весьма актуальным и нуждается в исследовании.

Актуальность темы исследования обусловлена также необходимостью расширения области применения пултрузионных стеклопластиковых профилей в строительстве путем теоретическо-экспериментальной оценки и совершенствования методик расчета несущей способности, разработки новых конструктивных решений узлового соединения элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей на листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах и алгоритма по созданию КЭ модели с учетом прочностных характеристик ортотропного материала, способа армирования волокнами, направления пултрузии (волокон), критериев разрушения композиционного материала.

Степень разработанности темы. Вопросами определения несущей способности одноболтового и многоболтового соединений занимались J.T. Mottram, G.J. Turvey, C.N. Rosner, R. Prabharakan, P. Wang, S.H. Rizkalla, M.A. Erki и др. Исследованиями несущих конструкций из ПСП занимались: Ушаков А.Е., Озеров С.Н., Панков А.В., Кленин Ю.Г., Сорина А.Х., Хайретдинов А.А., F. Feroldi, S. Russo и др.

В настоящее время известны безфасоночные конструктивные решения узлового соединения в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах, основными недостатками которых являются ограниченность пространства для расстановки групп болтов и расцентровка осей, примыкающих к узлу элементов. Для плоских решетчатых ферм известны конструктивные решения узлового соединения на листовых фасонках из стали или композита, выполненного

методом вакуумной инфузии. Сложность получения композита методом инфузии и его высокая стоимость ограничивает возможность использования листовых элементов. При этом налаженное производство и существующая номенклатура пултрузионных листовых элементов позволяет использовать их взамен инфузионных. Однако, применение пултрузионных листовых элементов в качестве узловых фасонок являются малоизученным вопросом и нуждается в исследовании.

Цель работы: теоретическо-экспериментальная оценка несущей способности узловых соединений на листовых фасонках из пултрузионного стеклопластика и совершенствование методики их расчета.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований существующих конструктивных решений цельнокомпозитных плоских решетчатых ферм из пултрузионных стеклопластиковых профилей, подходов к их расчету и проектированию.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования несущей способности одноболтового соединения с направлением пултрузии (волокон) 0^90°.

3. Разработать алгоритм по созданию КЭ модели узловых соединений из пултрузионных стеклопластиковых профилей с учетом прочностных характеристик ортотропного материала, способа армирования волокнами, направления пултрузии (волокон), критериев разрушения композиционного материала.

4. Выполнить численные исследования несущей способности узлового соединения на цельно-листовых фасонках с учетом направления пултрузии (волокон) по отношению к направлению максимальных усилий в элементах цельнокомпозитной плоской решетчатой фермы согласно отечественным и зарубежным методикам расчета.

5. Разработать новые конструктивные решения узлового соединения элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей на листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах, учитывающих прочностные характеристики однонаправленного материала и повышающих их несущую способность.

6. Выполнить экспериментальные исследования несущей способности узлового соединения элементов цельнокомпозитной плоской решетчатой фермы при направлении пултрузии (волокон) - 0° (максимальные характеристики) и 90° (минимальные характеристики).

7. Совершенствование методики расчета несущей способности узлового соединения на цельно-листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах с учетом эксцентриситетов и малых форм несовершенств.

Научная новизна работы.

1. Выявлена зависимость несущей способности одноболтового соединения элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей от угла пултрузии (волокон) 0^90° с шагом 15° по отношению к усилию, выражающаяся экспоненциальной функцией, где промежуточные значения превышают на 3,9 -68,9 % минимальные прочностные характеристики материала (при 90°).

2. Выявлена новая форма разрушения цельно-листовой фасонки толщиной 10 мм в виде среза по направлению пултрузии (волокон), что позволило уточнить существующую методику расчета несущей способности узлового соединения цельно-листовой фасонки из пултрузионного стеклопластика с учетом эксцентриситетов и малых форм несовершенств.

3. Разработана методика расчета положения нейтральной линии элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей для определения приведенного модуля упругости, который позволяет использовать резервы несущей способности материала по сравнению с минимальным модулем упругости (при сжатии) до 23%.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработан алгоритм по созданию КЭ модели пултрузионных стеклопластиковых листов, профилей, узлового соединения в ПК «АКБУБ» с учетом прочностных характеристик однонаправленного материала, способа армирования волокнами, направления пултрузии (волокон).

2. Разработана таблица сравнительного анализа методик расчета несущей способности узловых соединений на основе отечественных и зарубежных рекомендаций по расчету и проектированию конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей.

3. Разработаны новые конструктивные решения узлового соединения элементов на листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах, повышающие несущую способность на 12-15 % и учитывающие особенности однонаправленного композиционного материала.

4. Предложены формулы для оценки несущей способности узловых соединений на цельно-листовой фасонке в зависимости от угла преобразования упругих характеристик однонаправленного материала.

5. Разработаны рекомендации по расчету и проектированию цельнокомпозитных плоских решетчатых ферм, узловых соединений из пултрузионных стеклопластиковых профилей в ПК «АКБУБ».

Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой работы послужила нормативная и научно-техническая отечественная и зарубежная литература по расчету и проектированию конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей, современные теоретические положения механики композиционных материалов в области определения прочностных характеристик в зависимости от угла преобразования при феноменологическом подходе. Методическую основу составляют аналитические и численные исследования, а также экспериментальные исследования методом натурных испытаний узловых соединений. Численные исследования выполнялись на современных

сертифицированных программных комплексах, основанных на теории математического моделирования и методе конечных элементов.

Объект исследования - узловое соединение цельнокомпозитной плоской решетчатой фермы на листовых фасонках из пултрузионного стеклопластика.

Предмет исследования - несущая способность узлового соединения на листовых фасонках из пултрузионного стеклопластика на действие кратковременной статической нагрузки.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость несущей способности одноболтового и многоболтового соединения от угла пултрузии (волокон) по отношению к усилию.

2. Разработанный алгоритм по созданию КЭ моделей пултрузионных листов, профилей, узловых соединений с учетом прочностных характеристик ортотропного материала, способа армирования волокнами, направления пултрузии (волокон), критериев разрушения композиционного материала.

3. Разработанные конструктивные решения узлового соединения элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей на листовых фасонках в цельнокомпозитных плоских решетчатых фермах, учитывающих прочностные характеристики однонаправленного материала и повышающих их несущую способность.

4. Результаты экспериментального исследования несущей способности одноболтового и многоболтового соединений под воздействием кратковременной статической нагрузки.

Степень достоверности результатов диссертационного исследования.

Достоверность результатов и обоснованность выводов работы обеспечивается достаточным объемом воспроизводимых экспериментальных данных, не противоречащих известным законам и теориям отечественных и зарубежных ученых, применением современных методов исследований, их взаимной корреляцией, использованием статических методов при обработке экспериментальных данных. Выводы и рекомендации, полученные в работе, официально апробированы и подтверждены внедрениями конструкций из

пултрузионных стеклопластиковых профилей на территории Республики Татарстан.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 70 - 72-й международных научных конференциях КазГАСУ по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, 2018, 2019, 2021), II Всероссийской научно-технической конференции "Полимерные композиционные материалы и производственные технологии нового поколения" (г. Москва, 2017), Всероссийской научно-технической конференции "Полимерные композиционные материалы нового поколения. Трансфер инноваций из авиации в приоритетные сектора экономики России" (г. Ульяновск, 2018), III Международной научной конференции "Наука будущего -наука молодых" (г. Сочи, 2019), Международных научных конференциях International Scientific Conference on Socio-Technical Construction and Civil Engineering (г. Казань, 2020, 2021).

Реализация работы. Результаты работы в виде конструктивных решений внедрены ООО «Татнефть-Пресскомпозит» при строительстве трибун на 200 и 400 мест с навесом в детских оздоровительных лагерях, на юго-востоке Республики Татарстан, конструкций навеса над трибунами стадиона «Энергетик» в г. Бугульма, несущих конструкций типовых модулей высоких береговых железнодорожных пассажирских платформ.

Работы по теме диссертационного исследования награждены стипендией Мэра г. Казани (2020г.), специальной государственной стипендией Республики Татарстан (2020г.), отмечены дипломами победителя на республиканском конкурсе научных работ студентов и аспирантов на соискание им. Н. И. Лобачевского в секции «Архитектура и строительство» (2019г.), программе «УМНИК» (2020г.), конкурсе «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Старт инноваций» (2019г.), «Молодежный инновационный проект» (2020г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в изданиях, индексируемых БД Sсopus, получено 7 патентов РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста и содержит 10 таблиц, 66 рисунка.

Содержание диссертационной работы соответствует формуле специальности и области исследований «Разработка новых и совершенствование рациональных типов несущих и ограждающих конструкций, конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, механической, пожарной и экологической безопасности» паспорта научной специальности 05.23.01 (2.1.1) «Строительные конструкции, здания и сооружения».

Автор выражает особую благодарность первому научному руководителю д.т.н., профессору Кузнецову Ивану Леонидовичу, безвременно ушедшему из жизни (2021 г.), за постановку цели и научное консультирование вплоть до последних дней его жизни. Автор выражает благодарность представителям организации ООО «Татнефть-Пресскомпозит» за оказанное содействие при выполнении работы.

1. КОНСТРУКЦИИ ПЛОСКИХ РЕШЕТЧАТЫХ ФЕРМ ИЗ ПУЛТРУЗИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ПРОФИЛЕЙ

1.1. Свойства и характеристики пултрузионного стеклопластика

Термин «композит» используется для обозначения полимеров, армированных волокнами (ПАВ), материалов с различными физико-механическими характеристиками. Объединение двух базовых материалов (волокна и матрицы) (рисунок 1.1) не гарантирует реализацию конечного продукта, характеризующегося суммой свойств отдельных материалов, и достижение общего улучшенного конечного продукта [1].

Рисунок 1.1 - Диаграмма а-е при растяжении композита, волокна и матрицы

На рисунке 1.1 показано снижение механических свойств волокон, вызванное наличием и взаимодействием с матрицей. В результате матрица оказывается необходимой для получения конструктивного элемента, так как она создает непрерывность между волокнами, передает приложенные силы волокнам, гарантирует передачу усилий от волокна к волокну через его сдвиговую жесткость, защищает волокна от локальных повреждений и химических агрессий, и определяет форму профилей в процессе полимеризации.

Механические свойства композита зависят исключительно от реакции структуры армированных волокон [2]. Полимерная матрица ПАВ показывает поведение материала линейно упругого типа вплоть до его разрушения при растяжении, в общем случае характеризуется хрупким разрушением с

А

Волокно

пониженной деформационной способностью, отсутствием текучести или пластичности фаз.

Определяющим законом композиционного материала для конструктивных элементов является упруго-хрупкий с ортотропным механическим поведением, в частности анизотропным и поперечным поведением (слабая плоскость), в которой преобладают матричные механические характеристики [3]. Главная ось 7, которая соответствует направлению продольных волокон, задает анизотропное условие, в то время как слой мата определяется короткими волокнами, случайно связанными на плоскости (рисунок 1.2). Ориентация волокон и их структура являются определяющими факторами для механических и эксплуатационных характеристик композиционного материала.

Рисунок 1.2 - Пултрузионный стеклопластиковый профиль (ПСП) в разрезе

ПАВ являются прогрессивными материалами, которые имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными материалами [4]. Сегодня расширения применения ПАВ наблюдается не только в авиастроении, судостроении, ветроэнергетике, но ив строительстве [5]. Композиты активно применяются в усилении железобетонных конструкций, а композитные профиля применяются не только во вспомогательных конструкциях, но и в несущих конструкциях [6]. В последние годы наибольшее внимание уделяется ПАВ из стекло-, базальто- и угле-волокна. Наиболее распространенными в мировом строительстве и доступными на Российском рынке композитов являются однонаправленные армированные стеклопластики, изготавливаемые технологией

пултрузия. Пултрузия - это непрерывный процесс изготовления линейного стеклопластикового профиля с равномерным поперечным сечением. В пултрузионной установке армирующие волокна пропитываются смолой, и протягивается через нагретую фильеру, где и происходит отверждение. Получаемый продукт имеет многочисленные достоинства, такие как высокая прочность и жесткость, относительно небольшой удельный вес, высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред и экологичность. Главным преимуществом пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) является то, что они могут быть модифицированы для достижения желаемой работы под нагрузкой.

Наличие волокон, распределенных во всех направлениях, обеспечивают минимальные значения прочности от действия разнонаправленной нагрузки, увеличивает прочность на смятие в случае работы соединения на срез, уменьшая при этом риск разрушения материала при срезе в соединении. Симметричные и равномерные способы укладки позволяют избежать проблем при проектировании и изготовлении, связанных с соединением в зонах изгиба, скручиванием и растягиванием. Общая объемная доля армирующего наполнителя профилей составляет не менее 30%. Процентное соотношение непрерывного волокна в продольном направлении составляет более 30% от общей объемной доли армирующего наполнителя для фасонных изделий, и не менее 25% для плитных изделий. Минимальные требования к армирующим компонентам включают адекватную прочность и жесткость для достижения проектных целей.

В качестве смолы для изготовления ПСП используется термореактивная смола промышленного качества. Использование добавок к смолам, обеспечивающие изготовление и презервацию, такие как наполнители, стабилизаторы, ингибиторы горения, цветные пигменты не должны снижать нормативные характеристики материала профилей.

Для сравнения величин прочностных и деформативных характеристик в таблице 1.1 представлены основные свойства наиболее распространенных на

отечественном рынке однонаправленно армированных ПАВ, древесины и металлических сплавов.

Таблица 1.1 - Свойства конструкционных материалов

Материал Плотность -5 р, г/см Прочность Модуль Удельная Удельный

при упру- прочность модуль

растяжении ор, ГПа гости при растяжении Ер, ГПа ГПа/г*см упругости Ер^ ГПа/г*см

1 2 3 4 5 6

1. Стеклопластики:

- вдоль 1,9 - 2,1 1,6 - 2,1 56 - 70 1 - 1,19 29,5 - 33,2

армирующих

волокон

- поперек 1,9 - 2,1 0,05 - 0,1 8,5 - 20 0,026 - 4,47 - 9,52

армирующих 0,048

волокон

2. Углепластики:

- вдоль 1,5 - 1,7 1,0 - 1,5 120 - 180 0,667 - 80 - 105

армирующих 0,882

волокон

- поперек 1,5 - 1,7 0,04 - 0,1 9 - 25 0,027 - 6 - 14,7

армирующих 0,059

волокон

Древесина

3. Сосна:

- вдоль волокон 0,5 0,104 10 0,208 20

- поперек волокон 0,5 0,005 4 0,01 8

4. Лиственница

- вдоль волокон 0,65 0,125 10 0,192 20

- поперек волокон 0,65 0,006 4 0,009 8

Металлические сплавы

5. Аллюминия 2,64 0,34 72 0,129 27

АМГ-6

6. Магния МА-2-1 1,8 0,32 43 0,178 24

7. Титана ВТ-3-1 4,5 1,25 110 0,278 24

8. Сталь ЭП-679 7,89 1,9 200 0,241 25

9. Сталь 15ХСНД 7,85 0,49 205 0,062 26

Анализ физико-механических характеристик стеклопластика показывает, что по уровню предельных напряжений вдоль волокон (направление пултрузии)

они близки к стали, а по характеру и внутренней структуре к древесине [7]. Сходство стеклопластика с деревом подтверждается так же их склонностью к ползучести, которая для древесины характеризуется длительным модулем упругости и пределом долговременного сопротивления, составляющим 66 % от предела прочности материала [8]. Пултрузионные стеклопластики являются относительно новыми материалами и некоторые аспекты их свойств, такие как ползучесть [9,10] и усталость [11,12], мало изучены и требуют уточнений.

1.2. Опыт применения пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) в решетчатых конструкциях

Технология пултрузии для производства ПСП разработана в 50-х годах прошлого века, когда в 1951 году в США В. Брандт Голдсуорти получил первый патент. Первые профили предназначались в основном для промышленного применения, но с возможностью дальнейшего внедрения в гражданском строительстве в качестве балок и колонн. К концу 60-х и в начале 70-х годов многие компании производили двутавровые и трубчатые профили. Первыми несущими конструкциями были одноэтажные рамы для электромагнитной промышленности. В этих конструкциях электромагнитная прозрачность являлась ключевым фактором, которая предлагалась производителями. В настоящее время лидерами в технологии пултрузия являются такие страны, как США (около 150 производств), Китай (около 100 производств), Германия, Великобритания, Италия и др.

В области мостостроения ПСП нашли широкое применение, начиная с 70-х годов прошлого века, за счет хорошего соотношения цены и характеристик материала. Согласно научному труду Р.В. Ро1уга1а [13] в настоящее время в мире известны не менее 360 мостовых сооружений, несущие конструкции которых выполнены из полимеров, армированных волокнами. В том числе 53 мостовых сооружений выполенены с применением цельнокомпозитных пролетных строений.

Литературный обзор показывает, что балочные пролетные строения проектировались в виде решетчатых конструкций. Узловые соединения элементов решетчатых конструкций выполнялись болтовыми и клеевыми. Несущая способность решетчатых конструкций из ПСП часто ограничивается узловыми соединениями.

В 1997 году в Швейцарии через реку Flanz в качестве временного моста возведено двухпролетное пешеходное мостовое сооружение из решетчатых конструкций Pontresina bridge (рисунок 1.3) длиной 25 м, все несущие элементы которого выполнены из ПСП [14], где узловые соединения выполняются безфасоночными путем примыкания элементов решетки непосредственно к поясам. Несущая конструкция является сборно-разборной и монтируется/демонтируется осенью и весной соответственно. Отличием данного конструктивного решения узлового соединения от других является то, что один из пролетов выполнен с применением стальных болтов, а другой - на клеевом соединении. Расчетная полезная нагрузка на данное мостовое сооружение

л

принята 5 кН/м .

Рисунок 1.3 - Pontresina bridge [14]

В 2001 году в Испании г. Льеда через автомобильную и железную дороги возведен балочный однопролетный пешеходный мост с цельнокомпозитными пролетным строением из стеклопластика в виде арки с затяжкой (рисунок 1.4). Lleida Footbridge имеет самое длинное пролетное строение подобной конструкции

полной длиной 38 м, при этом высота его составляет 6,2 м, а ширина 6 м за счет уширения конструкции к местам опирания для повышения общей устойчивости пролетного строения [15].

Рисунок 1.4 - ЬЫёа Боо1:Ьпё§е [15]

За время эксплуатации этих мостов не обнаружено никаких опасных дефектов и не случалось никаких аварий. Они «пережили» перепады температур, ураганные ветра, обильное ультрафиолетовое излучение без дополнительной защиты элементов и успешно эксплуатируются в настоящее время.

Реализацию решетчатой конструкции, где элементы решетки примыкают к поясам под различными углами, выполняют через листовые фасонки. Данное решение отличается от традиционных решений тем, что напряжения и деформации передаются не через накладки, а через листовые фасонки. Согласно существующим нормам проектирования для упрощения процесса конструирования фасонки, накладки и уголки, соединяющие элементы, должны быть изготовлены из стали. Допускается заменять металлические элементы элементами из ПСП после предварительных экспериментов, подтверждающих возможность выполнения предусмотренных функций принятым узловым решением в течение всего периода эксплуатации конструкции. Изучение реальной работы узлового соединения на листовых фасонках из ПСП в решетчатой конструкции играет важную роль и нуждается в исследовании.

Реализацию узлового соединения на листовых фасонках в решетчатой конструкции с применением ПАВ можно встретить в отечественном мостостроении. В начале 2000-х для «РЖД» спроектирован, изготовлен и внедрен первый в РФ мостовое сооружение полностью выполненная из полимеров, армированных волокнами. Пролетные строения общей длиной 41 м состоят из трех пролетов: два по 13,2 м и один пролетом 15 м (рисунок 1.5) [16]. Пролетные строения выполнены в виде плоских решетчатых конструкций. Высота решетчатых конструкций составляет 1,1 м, что позволяет использовать их в качестве перильного ограждения пешеходной части, ширина которой 3 м. Расчетная полезная нагрузка на данное мостовое сооружение принята 5,5 кН/м . Общая материалоемкость на данное мостовое сооружение 11,8 т.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Арипов Далер Насимович, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Russo, S. Strutture in composito. Sperimentazione, teoria e applicazioni / S. Russo. - Milano: Ulrico Heopli Editore S.p.A, 2007. ISBN978-88-203-3643-1.

2. Lawrence, C.B. Composites for construction: Structural Design with FRP Materials / B.C. Lawrence. - New Jersey, 2006. - 567 p.

3. Boscato, G. Numerical analysis and experimental tests on dynamic behaviour of GFRP pultruded elements for conservation of the architectural and environmental heritage / G. Boscato // Dokt, Diss. University of Nova Gorica graduate school. - 2009. P. 226.

4. Ушаков, А.Е. Мостовые конструкции из композитов / А.А. Ушаков, А.Е., Кленин, Ю.Г., Сорина, Т.Г., Хайретдинов, А.Х., Сафонов // Композиты и наноструктуры. - 2009. - №3. - С. 25-37.

5. Raghunathan M.D. On the tensile capacity of Single-bolted Connections between GFRP Angles and Gusset Plates-Testing and Modelling // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Vol. 21. - P. 2259-2272.

6. Feroldi, F. Structural behavior of all-FRP beam-column plate-bolted joints / F. Feroldi, S. Russo // J. of Composites for Construction. - 2016. - Vol. 20. - №4.

7. Boscato, G. Dynamic response of a sheet pile of fiber-reinforce polymer for waterfront barriers / G. Boscato, J.T. Mottram, S. Russo // J. Compos. Constr. - 2011. -P. 974-984.

8. Cамойлов, П.И. Ползучесть древесины [Электронный ресурс]. URL: http://conf.sfukras.ru/sites/mn2013/thesis/s098/s098-021.pdf. (Дата обращения: 15.04.2020).

9. Harries, K.A. Creep and creep buckling of pultruded glass-reinforced polymer members / K.A. Harries, Q. Guo, D. Cardoso // Composite Structures. - 2017. -Vol. 181. - P. 315-324.

10. Gonilha, J.A. Static, dynamic and creep behaviour of a full-scale GFRP-SFRSCC hybrid footbridge / J.A. Gonilha, J. Barros, J.R. Correia, J. Sena-Cruz, F.A.

Branco, L.F. Ramos, D. Goncalves, M.R. Alvim, T. Santos // Composite Structures. -2014. - Vol. 118. - P. 496-509.

11. Plumtree, A. Damage mechanicsapplied to the fatigue behaviour of a composite material / A. Plumtree // In Proc. Damage and Fracture Mechancics VII -Computer Aided Assessment and Control. Structuresand Materials. - 2003. -Vol. 12. -P. 397-402.

12. Keller, T. Tensile fatigue performance of pultruded glass fiber reinforced polymer profiles / T. Keller, T. Tirelli, A.X. Zhou // Composite Structures. - 2005. -Vol.68. - P. 235-245.

13. Potyrala, P.B. Use of fibre-reinforced polymers in bridge construction. State of the art in hybrid and all-composite structures [Электронный ресурс]. URL: http://upcommons.upc.edu/pfc/handle/2099.1/12353. (Дата обращения: 20.03.2019).

14. Keller, T. Recent all-composite and hybrid fibre-reinforced polymer bridges and buildings / T. Keller // Prog. Structural Engineering Materials. - 2001. -Vol. 3. - P. 132-140.

15. Manoochehr, Z. The international handbook of FRP composites in civil engineering / Z. Manoochehr. - CRC Press, 2013. 706 p.

16. Ушаков, А.Е. Мостовые конструкции из композитов [Электронный ресурс]. URL: http://apatech.ru/comnan.html. (Дата обращения: 25.03.2019).

17. Кленин, Ю.Г. Мостовые конструкции из стеклопластика / А.Х. Кленин, Ю.Г., Озеров, С.Н., Семенов, В.Т., Ушаков, А.Е., Хайретдинов // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. - М.: Изд-во ЦАГИ. - 2001. - Вып. 1. - С.135-140.

18. Озеров, С.Н. Выбор конструктивно-силовой схемы пешеходного моста и сортамента профилей / А.В. Озеров, С.Н., Панков // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. - М.: Изд-во ЦАГИ. - 2004. - Вып. 3. - С. 42-48.

19. Ушаков, А.Е. Мостовые конструкции из композитов [Электронный ресурс]. URL: http://www.apatech.ru/ comnan.html. (Дата обращения 25.03. 2019).

20. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* // ОАО «ЦНИИС». - М.: ОАО «ЦПП», 2011. - 340с.

21. Boscato, G. Design of FRP structures in seismic zone [Электронный ресурс]. URL: https://www.topglass.it/wp-content/uploads/2018/10/Top-Glass_frp-structures_seismic-zone_manual_first-part_.pdf. (Дата обращения 20.03.2021).

22. Boscato, G. Free vibrations of pultruded FRP elements: Mechanical characterization, analysis, and applications / G. Boscato, S. Russo // J. of Composites for Construction. - 2009. - Vol. 13. - No. 6. - P. 565-574.

23. Boscato, G. Free vibrations of a pultruded GFRP frame with different rotational stiffnesses of bolted joints / G. Boscato, S. Russo // Mechanics of Composite Materials. - 2013. - Vol. 48. - No.6. - P. 655-668.

24. Boscato, G. Buckling of GFRP pultruded built-up columns / G. Boscato, C. Casalengo, S.Russo, J.T. Mottram // Proc. 6th Inter. Conf. on Advanced Composites in Construction (ACIC 2013). - 2013. - P.193-204.

25. Boscato, G. Time-dependent effects on critical buckling load of pultruded column / G. Boscato, C. Casalengo, S.Russo, J.T. Mottram // Proc. 17th Inter. Conf. on Composite Structures (ICCS 17). - 2013. 3053.

26. Boscato, G. Design of an innovative large FRP pultruded structure / G. Boscato, A. Dal Cin // Proc. Inter. Forum on Materials Processing Technology (IFMPT). - 2014.-Vol. 900. - P. 430-434.

27. Boscato, G. Dissipative capacity on FRP spatial pultruded structure / G. Boscato, S. Russo // Composite structures. - 2014. Vol. 113. - P. 339-353.

28. Russo, S. Performance of a PFRP structure covering a historic building struck by an earthquake / S. Russo // Proc. 5th Inter. Conf. on Advanced Composites in Construction (ACIC 2011). - 2011. - P. 51-58.

29. Russo, S. Experimental and finite element analysis of a very large pultruded FRP structure subjected to free vibration / S. Russo // Composite Structures. -2012. - Vol. 94. - No. 3. - P. 1097-1105.

30. Russo, S. Design and free vibration of a large temporary roof FRP structure for the Santa Maria Paganica church in L'Aquila / S. Russo, G. Boscato, J.T. Mottram //

in Proc. 6th Inter. Conf. on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2012). - 2012. P.8.

31. Russo, S. Case study: Seismic design and construction of large pultruded FRP structure / S. Russo // IIFC newsletter, FRPInter. - 2011. - Vol. 8. - No. 2.

32. Композиционные материалы. В 8-ми т. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. Т.8. Анализ и проектирование конструкций. Ч. 1. / Под ред. К Чамиса. -пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1978. - 300 с.

33. Композиционные материалы. В 8-ми т. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. Т.8. Анализ и проектирование конструкций. Ч. 2. / Под ред. К Чамиса. -пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

34. Москалев, Н. С. Металлические конструкции / Н.С. Москалев, Я. А. Пронозин. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2007. - 344 с.

35. Сетков, В. И. Строительные конструкции: расчет и проектирование: учебник / В. И. Сетков, Е. П. Сербин. - 2-ое изд., доп. и исправ. - М.: ИНФА-М, 2009. - 448 с.

36. Composite construction / Edited by D. A. Nethercot. - London: Spon Lane, 2003. - 236 p.

37. Iles, D. C. Design guide for composite highway bridges / D. C. Iles. -Suffolk: CSI, 2001. - 251 p.

38. Tuakta, C. The use of fiber reinforced polymer composite in bridge structures: m. eng. thesis / Chakparan Tuakta. - Department of civil and environmental engineering, M.I.T. 2005. - 50 p.

39. Qureshi, J. Behaviour of pultruded beam-tocolumn joints using steel web cleats / J. Qureshi, J.T. Mottram // Thin-Walled Struct. - 2013. - Vol 73. - No. 12. - P. 48-56.

40. Qureshi, J. Response of beam-to-column web cleated joints for FRP pultruded members / J. Qureshi, J.T. Mottram // J. Compos. Constr. - 2014.

41. Qureshi, J. Moment-rotation response of nominally pinned beam-to-column joints for frames of pultruded fibre reinforced polymer / J. Qureshi, J.T. Mottram // Constr. Build. Mater. - 2015. - Vol 72. - No. 2. - P. 396-403.

42. Smith, S.J. A study of the behavior of joints in GFRP pultruded tubes and I-beams / S.J. Smith, I.D. Parsons, K.D. Hjelmstad // Proc. of the Inter. Conf. on Composites in Construction (ICCI 96). - 1996. - P.583-595.

43. Zafari, B. Pin-bearing strengths for the design of bolted connections with pultruded material / B. Zafari, J.T. Mottram // Proc. 5th Inter. Conf. on FRP Composites in Civil Engineering (CICE). - 2010. - Vol. 1. - P. 99-102.

44. Oppe, M. Behaviour of bolted connections in GFRP subjected to tension loads / M. Oppe, J. Knippers // Proc. 4th Inter. Conf. Advanced Composites in Construction. -2009. - P. 495-506.

45. Mosallam, A.S. Behavior of pultruded composite frame structures and connections / A.S. Mosallam // Proc. Conf. on Research Transformed into Practice. -1995. - P. 94-107.

46. Ascione, F. Strength and stiffness of adhesively bonded GFRP beam-column moment resisting connections / F. Ascione, M. Lamberti, A.G. Razaqpur, S. Spadea // Composite Structures. - 2017. - Vol. 160. - P. 1248-1257.

47. Chataigner, S. Non-linear failure criteria for a double lap bonded joint / S. Chataigner, J.F. Caron, A.D. Diaz, C. Aubagnac, K. Benzarti // Inter. J. of Adhesion and Adhesives. - 2010. - Vol. 30. - P. 10-20.

48. Fassio, F. Tensile tests on bonded double-strap joints between pultruded GFRP profiles / F.Fassio, S. Santini, T. Vallee // Proc. Inter. Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structurs (BBFS2005). - 2006. - P. 141-148.

49. GangaRao, H.V.S. Design of adhesively bonded FRP joints / H.V.S. GangaRao, S. Palakamshetty // Modern Plastics. - 2001. - Vol. 78. - P. 79-82.

50. Hai, N.D. Behavior of bolted/bonded joints in pultruded hybrid CFRP/GFRP composites // J. of Structural Engineering. - 2010. Vol. 56. - P. 23-31.

51. Hehl, S. Experiments and strength prediction of a joint composed of a pultruded FRP tube bonded to an FRP lamella / S. Hehl, T. Vallee, Y. Bai // Key Engineering Materials. - 2010. - P. 505-508.

52. Keller, T. Adhesively bonded lap joints for pultruded GFRP profiles: Part I: stress-strain analysis and failure modes / T. Keller, T. Vallee // Composites B. - 2005. -Vol. 36. - P. 331-340.

53. Turvey, G. J. Thermal Preconditioning Study for Bolted Tension Joints in Pultruded GRP plate / G. J. Turvey, P. Wang // Composite Structures. - 2007. - Vol 77. - No. 4. - P. 509-513.

54. Turvey, G. J. Failure of Pultruded GRP Single-bolt Tension Joints Under Hot-wet Conditions / G. J. Turvey, P. Wang // Composite Structures. - 2007. - Vol 77. -No. 4. - P. 514-520.

55. Mottram, J.T. Physical Test Data for the Appraisal of Design Procedures for Bolted Joints in Pultruded FRP Structural Shapes and Systems / J. T. Mottram, G.J. Turvey // Progress in Structural Engineering and Materials. - 2003. - Vol 5. - No. 4. - P. 195-222.

56. Erki, M. A. Bolted Glass-fibre-reinforced Plastic Joints, Canadian Journal of Civil Engineering / M. A. Erki // Canadian Journal of Civil Engineering. - 1995. -Vol 22. - No. 4. - P. 736-744.

57. Rosner, C. N. Bolted Connections for Fiber-reinforced Composite Structural Materials: Experimental Program / C. N. Rosner, S. H. Rizkalla // Journal of Materials in Civil Engineering. - 1995. - Vol 7. - No. 4. - P. 223-231.

58. Cooper, C. Effects of Joint Geometry and Bolt Torque on the Structural Performance of Single-bolt Tension Joints in Pultruded GRP Sheet Material / C. Cooper, G.J. Turvey // Composite Structures. - 1995. - Vol 32. - No. 1-4. - P. 217-226.

59. Turvey, G. J. Single Bolt Tension Joint Tests on Pultruded GRP WF-Section Web and Flange Material / G.J. Turvey, C. Cooper // Tenth International Conference on Composite Materials, Woodhead Publishing. - 1995. - Vol 3. - P. 621628.

60. Yuan, R. L. Study of Mechanical Connection for GFRP Laminated Structures / R. L. Yuan, C. J. Liu, T. Daley // Second International Conference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures. - 1996. - P. 951-958.

61. Steffen, R. E. Behavior and Design of Fiber-reinforced Polymeric Composite Equal-leg Struts / R.E. Steffen // PhD thesis, Georgia Institute of Technology. - 1998.

62. Turvey, G. J. Single-bolt Tension on Pultruded GRP Plate - Effect of Tension Direction Relative to Pultrusion Direction / G. J. Turvey // Composite Structures. - 1998. - Vol 42. - No. 4. - P. 341-351.

63. Yuan, R. L. Experimental Characterization of FRP Mechanical Connection / R. L. Yuan, C. J. Liu // Third International Conference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures. - 2000. - P. 103-110.

64. Wang, Y. J. Bearing Behavior of Joints in Pultruded Composites / Y. J. Wang // Journal of Composite Materials. - 2002. - Vol 36. - No. 18. - P. 2199-2216.

65. Wang, P. Structural Integrity of Bolted Joints for Pultruded GRP Profiles / P. Wang // PhD thesis, University of Lancaster. - 2004.

66. Prabhakaran, R. Load and Resistance Factor Design (LRFD) Approach for Bolted Joints in Pultruded Composites / R. Prabhakaran, Z. Razzaq, S. Devara // Composites - Part B: Engineering. - 1996. - Vol 27. - No. 3-4. - P. 351-360.

67. Hassan, N. K. Multibolted Joints for GFRP Structural Members / N. K. Hassan, M. A. Mohamedien, S. H. Rizkalla // Journal of Composites for Construction. -1997. - Vol 1. - No. 1. - P. 3-6.

68. Prabhakaran, R. An Experimental Investigation of Load-sharing in a Multi-bolt Pultruded Composite Joint / R. Prabhakaran, J. Robertson // Second International Conference on Composites in Infrastructure. - 1998. - Vol 2. - P. 355-368.

69. Lutz, C. Structural Integrity of Bolted Joints for PFRP Profiles / C. Lutz // PhD thesis, University of Warwick. - 2005.

70. Mottram, J. T. Physical Test Data for the Appraisal of Design Procedures for Bolted Joints in Pultruded FRP Structural Shapes and Systems / J. T. Mottram, G. J. Turvey // Progress in Structural Engineering and Materials. - 2003 - Vol 5. - No. 4 - P. 195-222.

71. Руководство по проектированию и расчету строительных конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей производства ООО «Татнефть-Пресскомпозит», разработанного ЦНИИСК им. Кучеренко. 2016. - C. 49.

72. Pre-Standard for Load and Resistance Factor Design (LRFD) of Pultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP) Structures. 2010. - 215 p.

73. L. Ascione, J.-F. Caron, P. Godonou, K. van IJselmuijden, J. Knippers, T. Mottram, M. Oppe, M. Gantriis Sorensen, J. Taby, L. Tromp; Prospect for new guidance in the design of FRP; EUR 27666 EN; doi:10.2788/22306. 2016. - 176 p.

74. Mottram, J. T. Determination of Pin-bearing Strength for the Design of Bolted Connections with Standard Pultruded Profiles / J. T. Mottram // Proceedings Fourth International Conference on Advanced Composites in Construction. - 2009. - P. 483-495.

75. Troutman, D. An Investigation of Pin Bearing Strength on Composite Materials / D. Troutman, J. Mosteller // Proceedings of 2010 CTI (Cooling Tower Institute) Annual Conference. 2010. - 8 p.

76. Chamis, C. C. Simplified Procedures for Designing Composite Bolted Joints / C. C. Chamis // Forty-third Annual Conference on Fibrous Composites in Structural Design. - 1980. - P. 652-657.

77. Ascione, F. An Experimental Investigation on the Bearing Failure Load of Glass Fibre/Epoxy Laminates / F. Ascione, L. Feo, F. Maceri // Composites: Part B. -2009 - Vol 40. - No. 3 - P. 197-205.

78. Anon. Bedford Design Guide, Bedford Reinforced Plastics, Inc., Bedford, PA. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bedfordplastics.com/aboutfrp.htm. (Дата обращения 15.05. 2020).

79. Anon. The New and Improved Pultrex Pultrusion Design Manual (Imperial Version), Creative Pultrusions, Inc., Alum Bank, PA. [Электронный ресурс]. URL: http://www.creativepultrusions.com/rd.html (Дата обращения 15.05. 2020).

80. Anon. Strongwell Design Manual Strongwell, Bristol, VA. [Электронный ресурс]. URL: http://www.strongwell.com/. (Дата обращения 15.05. 2020).

81. ASCE Standard for Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Engineered Wood Construction, AF&PA/ASCE 16-95. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 1995.

82. Mottram, J. T. Prediction of Net-tension Strength for Multi-row Bolted Connections of Pultruded Material using the Hart-Smith Semi-empirical Modeling Approach / J. T. Mottram // Journal of Composites for Construction. - 2010 - Vol 14. -No. 1 - P. 105-114.

83. Clarke, J. L. (Ed.). Structural Design of Polymer Composites, Eurocomp Design Code and Handbook, E&FN Spon, London. - 1996.

84. Hart-Smith, L. J. Mechanically-fastened Joints for Advanced Composites -Phenomenological Considerations and Simple Analyses / L.J. Hart-Smith // Fourth Conference on Fibrous Composites in Structural Design. - 1987. - P. 543-574.

85. Кузнецов, И.Л. Исследование болтовых соединений элементов из пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) / Д.Н. Кузнецов, И.Л., Фахрутдинов, А.Э., Арипов // Всероссийская научно-техническая конференция «Полимерные композиционные материалы нового поколения. Трансфер инноваций из авиации в приоритетные сектора экономики России». - 2018. - С. 615.

86. ГОСТ 27772-2015 Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2016.-24 с.

87. ГОСТ 7798-70 Болты с шестигранной головкой класса точности В. Конструкция и размеры. - М.: Огандартинформ, 2010.-13 с.

88. Каблов, Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» / Каблов, Е.Н. // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 1 (34). - С. 3-33.

89. Каблов, Е.Н. Композиты: сегодня и завтра / Каблов, Е.Н. // Металлы Евразии. - 2015. - № 1. - С. 36-39.

90. Каблов, Е.Н. Становление отечественного космического материаловедения / Каблов, Е.Н. // Вестник РФФИ. - 2017. - № 3. - С. 97-105.

91. Яковлев, Н.О. Трещиностойкость слоистых полимерных композиционных материалов (обзор) / О.А. Яковлев, Н.О., Гуляев, А.И., Лашов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2016. - № 4 (40). - Ст. 12.

92. Крылов, В.Д. Межслоевая трещиностойкость конструкционных полимерных композиционных материалов / О.А. Крылов, В.Д., Яковлев, Н.О., Курганова, Ю.А., Лашов // Авиационные материалы и технологии. - 2016. - № 1(40). - С. 79-85.

93. Власенко, Ф.С. Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях / А.Е. Власенко, Ф.С., Раскутин // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2013. - № 8. - Ст. 3.

94. Кондрашов, С.В. Физико-механические свойства нанокомпозитов с УНТ (обзор) / Л.В. Кондрашов, С.В., Шашкеев, К.А., Попков, О.В., Соловьянчик // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2016. - № 5 (41). - Ст. 8.

95. Дориомедов, М.С. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России (обзор) / Е.А. Дориомедов, М.С., Дасковский, М.И., Скрипачев, С.Ю., Шеин // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2016. - № 7 (43). - Ст. 12.

96. NanoWeek, № 87, 2009. [Электронный ресурс]. URL: http://www.nanonewsnet.ru/nanoweek/87,свободньIЙ. (Дата обращения 15.05. 2020).

97. Барышников, М.П. Анализ программных комплексов для расчета напряженно-деформированного состояния композиционных материалов в процессах обработки давлением / А.Б. Барышников, М.П., Чукин, М.В., Бойко // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. - 2012. - № 4. - С. 72-74.

98. Институт космических исследований. [Электронный ресурс]. URL: http//www.iki.rssi.ru/books/2009chumachenko.pdf. (Дата обращения 20.08. 2020).

99. Tsai, S.W. A General Theory of Strength for Anisotropic Materials / S.W. Tsai, E.M. Wu // Journal of Composite Materials. - 1971. - No. 5 (1). - P. 58-80.

100. Гриневич, Д.В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов (обзор) / А.В. Гриневич, Д.В., Яковлев, Н.О., Славин // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2019. - № 7 (79). - С. 92-111.

101. Димитриенко, Ю.И. Численное моделирование и экспериментальное исследование деформирования упругопластических пластин при смятии / Н.О. Димитриенко, Ю.И., Губарева, Е.А., Сборщиков, С.В., Ерасов, В.С., Яковлев // Математическое моделирование и численные методы. - 2015. - № 1 (5). - С. 67-82.

102. Димитриенко, Ю.И. Моделирование и разработка трехслойных композиционных материалов с сотовым заполнителем / Н.О. Димитриенко, Ю.И., Федонюк, Н.Н., Губарева, Е.А., Сборщиков, С.В., Прозоровский, А.А., Ерасов, В.С., Яковлев // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Естественные науки. -2014. - № 5. - С. 66-81.

103. Ерасов, В.С. Испытания крупногабаритных конструкций из полимерных композиционных материалов на силовом полу ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова / Н.Ю. Ерасов, В.С., Яковлев, Н.О., Гладких, А.В., Гончаров, А.А., Скиба, О.В., Боярских, А.В., Подживотов // Композитный мир. - 2014. - № 1. - С. 72-78.

104. Амелина, Е.В. О нелинейном деформировании углепластиков: эксперимент, модель, расчет / Н.О. Амелина, Е.В., Голушко, С.К., Ерасов, В.С., Идимешев, С.В., Немировский, Ю.В., Семисалов, Б.В., Юрченко, А.В., Яковлев // Вычислительные технологии. - 2015. - №5. - С. 27-52.

105. Abrate, S. Criteria for yielding or failure of cellular materials / S. Abrate // Journal of Sandwich Structures and Materials. - 2008. - Vol. 10. - P. 5-51.

106. Hoffman, O. The brittle strength of orthotropic materials / O. Hoffman // Journal of Composite Materials. - 1967. - No. 1. - P. 200-206.

107. ГОСТ 11371-78 Шайбы. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2006.-6 с.

108. ГОСТ 5915-70 Гайки шестигранные класса точности В. Конструкция и размеры. - М.: Стандартинформ, 2010.-5 с.

109. Mottram, J.T. Friction and load Transfer in Bolted Joints of pultruded fibre reinforced polymer section / J.T. Mottram // Second International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. - 2005. - P. 845-850.

110. ГОСТ 33344-2015 Профили пултрузионные конструкционные из полимерных композитов. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2016.-34 с.

111. Арипов, Д.Н. Несущие конструкции сооружений из пултрузионных стеклопластиковых профилей / Д.Н. Арипов // II Всероссийская научно-техническая конференция «Полимерные композиционные технологии нового поколения». - 2017. - С. 281-294.

112. Hart-Smith, L. J. Mechanically-fastened Joints for Advanced Composites -Phenomenological Considerations and Simple Analyses / L.J. Hart-Smith // Fourth Conference on Fibrous Composites in Structural Design. - 1987. - P. 543-574.

113. Кузнецов, И.Л. Болтовое соединение в стержневых конструкциях из пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) / Д.Н. Кузнецов, И.Л., Арипов // Известия КГАСУ. - 2018. - № 4 (46). - С. 200-207.

114. McCarthy, M .A. A Simple Method for Determining the Effects of Bolt-hole Clearance on Load Distribution in Single-column Multi-bolt Composite Joints / M.A. McCarthy, C. T. McCarthy, G.S. Padhi // Composite Structures. -2006. - Vol. 73. - No. 1. -P. 78-81.

115. Арипов, Д.Н. Совершенствование узловых соединений на листовых фасонках решетчатой конструкции из пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) / М.А. Арипов, Д.Н., Кузнецов, И.Л., Салахутдинов // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2020. - № 12. - С. 22-31.

116. Арипов, Д.Н. Несущая способность листовых фасонок из пултрузионного стеклопластика в решетчатых конструкциях / М.А. Арипов, Д.Н., Кузнецов, И.Л., Салахутдинов // Вестник МГСУ. - 2020. - № 8. - С. 1115-1125.

117. Пат. 2725378 Российская Федерация. Центральный узел верхнего пояса двускатной фермы / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н., Гайнетдинов Р.Г.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - № 2019143019, заяв. 18.12.2019; опубл. 02.07.2020, Бюл. №19-С. 4.

118. Пат. 2715787 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - №

2019129357, заяв. 17.09.2019; опубл. 03.03.2020, Бюл. №7-С. 6.

119. Пат. 2728078 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - № 2019117432, заяв. 04.06.2019; опубл. 28.07.2020, Бюл. №22-С. 4.

120. Пат. 2725382 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - №

2019129358, заяв. 17.09.2019; опубл. 02.07.2020, Бюл. №19-С. 4.

121. Пат. 2731553 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - № 2020113732, заяв. 03.04.2020; опубл. 04.09.2020, Бюл. №25-С. 6.

122. Пат. 2736343 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н., Салахутдинов М.А.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - № 2020113734, заяв. 03.04.2020; опубл. 16.11.2020, Бюл. №32-С. 4.

123. Пат. 2736458 Российская Федерация. Узловое соединение стеклопластиковых профилей в решетчатой конструкции / Кузнецов И.Л., Арипов Д.Н.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» - № 2019113016, заяв. 26.04.2019; опубл. 17.11.2020, Бюл. №32-С. 6.

124. ГОСТ 10587-84 Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 20 с.

125. СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80 // АО «НИЦ «Строительство». - М.: АО «НИЦ», 2017. -105с.

126. Aripov, D. Experimental investigation of pultruded GFRP connections / D. Aripov, I. Kuznetsov, M. Salakhutdinov // E3S Web of Conferences. - 2021. - Vol. 274. 03013.

127. ГОСТ 166-89 Штангенциркули. Технические условия. - М.: Государственный стандарт союза ССР, 1989. - 11 с.

128. Kuznetsov, I. An nvestigation of the influence of the reduced elasticity modulus on strength of pultruded frp members in bending / I. Kuznetsov, M. Salakhutdinov, F. Shakirzyanov, L. Khaydarov, D. Aripov // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. - 2020. - Vol. 890. 012047.

Приложение 1

Сравнительный анализ «Руководства по проектированию и расчету строительных конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей производства ООО «Татнефть-Пресскомпозит» и зарубежных норм по расчёту пултрузионных стеклопластиковых профилей «Pre-Standard for Load & Resistance Factor Design (LRFD) of Pultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP) Structures», «Prospect for new guidance in the design of FRP»

№ ПП Наименование критерия Руководство по проектированию и расчету строительных конструкций из пултруз ион ных стекло пла стиковых профилей производства ООО «Татнефтъ-Пр е с ск омп оз ni» Pre-Standard for LRFD ofPultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP) Structures* ASCE Prospect foi" new guidance in the design of FRP Выводы

1. Расчетные сопротивления и частные коэффициенты надежности

1.1. Расчетные значения для сопротивлений определяют по формуле: RH Rp =- ■ П1дл ■ Шднн ■ 111т ■ Уга nw Ru=X ■ ф Ro ■ Ci ■ С 2 - ■ ■ Cj Xd = Ilc Yra

1.2. Коэффициент надежности по материалу: ут 1,25 Ф — 0,5-0,85 — в зависимости от НДС Ф — 0,4-0,75 — в зависимости от НДС Коэффициент надежности по материалу в

Руководстве назначается равным 0,8 для всех видов напряжённо -д еф ормир ов аннош состояния (НДС), в Pre-Standard коэффициент надежности по материалу назначается в зависимости от вида НДС (растяжение, сжатие, изгиб и т.д.) и варьируется в пределах 0,50,85, а в «Prospect..» в пределах 0,4-0,75.

1.3. Коэффициент условий работы, учитывающий нагруженностъ ко негру кции: При длительных нагрузках - m^ = 0,5; при кратковременных нагрузках - m^ = 1. X - коэффициент длительности нагрузки (далее - КДН), который зависящий от типа сочетаний нагрузок, согласно табл.2.3-1 Рге-Standard; если расчетная - коэффициент ползучести (далее -КП), который зависящий от типа сочетаний нагрузок, согласно табл. 2.8 В Руководстве не приводится алгоритм определения КДН или КП при комбинации в одном сочетании

нагрузка действует на протяжении 50 лет, тогда X принимается равным 0,4. «Prospect...»; если расчетная нагрузка действует на протяжении 50 лет, тогда I]cv принимается равным 0,23-0,65. постоянных, длительных и кр атковр еменных нагрузок. В Рге-Standard и «Prospect...» КДН и КП приводится для отдельных сочетаний, включающих различные типы нагрузок.

1.4. Коэффициент условий работы, учитывающий динамические нагрузки При наличии - Шднн = 0,35; при отсутствии - Шднн = 1. Коэффициент надежности при действии динамической нагрузки в Руководстве равен 0,35, но при этом нет указаний, какую нагрузку следует относить к динамической (например, является ли таковой ветровая). Pre-Standard и «Prospect...»

использует расчет на усталость при циклических нагрузках. Указывается, что ветровая и сейсмическая нагрузки к таковым не относится. При этом снижение свойств зависит от колич еств а цикл ов нагружения.

1.5. Коэффициент условий работы, учитывающий влияние температуры: шт - принимается в зависимости от эксплуатационной температуры по табл.3.1.В диапазоне от -60°С до 20°С равен 1 для всех типов нагрузок. Ст - не зависит от д лительности нагрузок и равен 1 до 38°С.В диапазоне от 38 < Т < 60°С коэффициенгСт определяется в зависимости от типа смолы, принимаемый по табл.2.4-1. Цй - не зависит от длительности нагрузок и равен 0,9 в диапазоне от -20°С до +40°С.

1.6. Коэффициент условий работы, учитывающий снижение свойств Коэффициент при изменении влажности от 60% до 75% и выше изменяется от 1 до 0,8, См - коэффициентучета влажности определяется по табл.2.4-1 в зависимости от смолы Цсш - коэффициент учета влажности определяется по табл.2.5 в

материала под влиянием влажности: соответственно. (постоянная): для полиэфирной смолы - 0,8. зависимости от смолы и изменятся от 0,8 до 1.

1.7. Коэффициент, учитывающий агрессивность среды: Коэффициент Сен определяется методом интерполяции или экстраполяции результатов испытания А8ТМ С581. Учет фактора агрессивности среды в Руководстве и «Prospect...» отсутствует.

1.8. Коэффициент повышения прочности для элемента в составе конструкции Сьэ - коэффициент перераспределения нагрузки, принимаемый по Разделу 2.4.4. Принимается равным 1,2 при расчетах на прочность при условии, что: элементы расположенные на расстоянии не более чем 610мм по осям; в количестве не менее трех в ряд; и соединены обрешеткой, настилом или другими элементами. которые способны перераспределять Коэффициент Cls в Руководстве и «Prospect...» отсутствует.

нагрузку.

1.9. Коэффициент повышения жесткости для элемента в составе конструкции: Сса - коэффициент составного действия, принимаемый по Разделу 2.4.4. Принимается равным 1,2 при расчетах на жесткость при условии, что: элементы расположенные на расстоянии не более чем 610мм по осям; в количестве не менее трех; и соединены обрешеткой, настилом или другими элементами. которые способны обеспечивать совместную работу. Коэффициент Сса в Руководстве и «Prospect...» отсутствует.

1.10. Коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса стеклопластиковых конструкций: Yf=U В Pre-Standard и «Prospect...» коэффициент надежности по нагрузке отсутствует.

1.11. Коэффициенты сочетания нагрузок у: В Руководстве дается ссылка на СП 20.13330.2011 В Рге^ап<1агс1 коэффициенты сочетания нагрузок

«Нагрузки и воздействия». приводятся в табл.2.3-1.

1.12. Коэффициент надежности по ответственности Уп- По ГОСТ 27751 -2014 в зависимости от класса сооружений.

1. Несущая способность одноболтового соединения

Несущая способность болтовых соединений при работе болтов на срез, принимается наименьшее из: ^нес тт^ъ^пЗър^йьт^с!} Несущая способность болтовых соединений при работе болтов на срез, принимается наименьшее из: Несущая способность болтовых соединений при работе болтов на срез, принимается наименьшее из: Уи = 1шп{УрЬ;У^;Ул}

2.1. Несущая способность материала профилен на смятие: йьр = сИЛьр,^, где <2 - номинальный диаметр болта; ^ъРе ~ расчетное сопротивление материала профилей на смятие, кН/м^, 9 - угол между направлением усилия в соединении и направлением БЦГ = где X - коэффициент длительно сги нагрузки согласно Табл. 2.3-1; X - толщина ПКП изделий и/или элемента; 6. - номинальный диаметр болта; РЪге - расчетное сопротивление смятию с учетом ориентации равнодействующей УрЪ — --^О.ЪгДс^ь'^ ^СС где ксс = ((10/(1)2; £э=ъгД(1 - расчетное сопротивление материала профилен на смятие с учетом ориентации р авно действующей силы, действующий на контакте Формулы для определения несущей способности материала профилей на смятие аналогичны.

пултрузии, в градусах, 9 = о° < 5°; R£pL - расчетное сопротивление материала профилей на смятие в направлении 0°, кНУм2; ^Ърт " расчетное сопротивление материала профилей на смятие в направлении 90°, кН/м2. сипы, действующий на контакте болт/ПКП, по отношению к направлению пултрузии. болт/ПКП, по отношению к направлению пултрузии, кН/м^, & - номинальный диаметр болта, X - толщина ПКП изделий и/или элемента.

2.2. Несущая способность материала профилей на растяжение: с (mw-ndri)tRPe bnt — к где iv - эффективная ширина, принимаемая в соответствии с таблицей 11.1; п. - количество болтов в соединении; m - количество рядов в соединении; dn - номинальный диаметр отверстия под болт; - расчетное К^ ~ Хф-— (V/ фс= 0,5, где X - минимальная толщина соединяемых детали и/или элементов; <1п - номинальный диаметр отверстия под болт; п - число болтов в зоне эффективной ширины. п=1 до 3; Р^-расчетное 'Ущ = --СэхЛДЙ (>- п&)Х где кй: = 3,75; X - минимальная толщина соединяемых детали и/или элементов; (1п - номинальный диаметр болта, и - число болтов в зоне эффективной ширины. п=1 до 3; Формулы для определения несущей способности материала профилей на растяжение аналогичны.

сопротивление материала профилей на смятие, кН/м^ 0 - угол между направлением усилия в соединении и направлением пултрузии, в градусах; 1,5 + (5рг + 1) ) $ =- Рг (1' ш а = 1,5 - 0,5 —. е1 сопротивление при растяжении в базовом напр ав легаш ПКП материала. Для одно болтового соединения (и = 1 и 8рг = шМ): Значение Кп1х определяется: Кп^= (8.3.2-Сь(5рг- ^ 1,5 в) + 1, V/ 0 = 1,5 - 0,5 — для v/ — < 1, И 0 = 1 Д ЛЯ в! 1.

2.3. Несущую способность материала профилей на срез: = 2 ш ^ + (т-ОДЖ^ где п - количество Б1й1 = 1.4Аф(;е1- где t - минимальная толщина соединяемых детали; где 1 - минимальная толщина соединяемых детали; - расчетное

болтов в соединении; ш - количество рядов в соединении; е1 - расстояние от торца элемента до оси ближайшего отверстия под болт; 5 - шаг между рядами болтов в соединении; t - толщина элемента профиля в соединении; расчетное значение предела прочности при межслойном сдвиге, кНУм2 Fsh - расчетное сопротивление сдвигу в плоскости соответствующая характеру разрушения. сопротивление сдвигу в плоскости со отв етствующая характеру разрушения; е - расстояние от торца элемента до оси ближайшего отверстия под болт.

2.4. Несущая способность материала профилей при скалывании: 8С1 = 0,151((2е2-(1п)ВД> + 2^11^, Для случая когда в соединении только один болт расположенный центрально и когда ei < 4d = ei^, несущая способность принимается наименьшим из: Reí = 0.15 ((2е2-dn)F^+ 2e1Fsh)t, Формулы для определения несущей способности материала профилей при скалывании аналогичны.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................ 3

1. Общие прим пимы по моделированию компэдищоняых материалов ь

ПК«АМ5УВ»................................................................................ 5

1. Пример расчета на центральное растяжение пултручиоинон пластины

ь пк ................................................................................. у

3. Общие выводы.......................................................................... 20

Список литературы....................................................................... 21

149 Введен se

Композиты представляют собой материалы, состоящие из двух и йолее компонентов с существенно различающимися свойствами. Поскольку они отличакися высокими значениями удельной ирочностн, жесткости, а также технологнчностьм, композиционные материалы нашли широкое применение при изготовлении различных конструкций, включая изделия сложной формы.

Е]азработка нале, ни i из Еонпницнрнных материалов традиционно является сложной инженерной задачей. Для ее успешного решения необходимо рассчитать оптимальные характеристики самого материала, которые будут зависеть от числа слоев композита, направления и последовательности их укладки.

Основной задачей на "ртапе разработки изделия является лрелсказание того, насколько оно будет способно функционировать в заданных условиях эксплуатации. Это требует учета напряжений и деформаций. воз]сикающих в конструкции, а также расчета различных критериев прочЕюстн. Мри ном определяются не только предельные напряжен ня и прогрессирующее разрушен не, но и моделируются процессье, связанные с расслоением, образованием и ростом трещин, а также целый ряд .других физических эффектов.

Е'ешенне ANS YS для моделирования конструкций из композиционных материалов - ANS YS Compra ite E'repFosi - дает возможность моделировать сложные композитные конструкции, позволяя разработчику понять и оценить потен циальные механизм ье разрушения, включая развитие повреждеЕ1ий, расслоение и образование трещин.

Возможности постпроцессинга ANS YS Conipoüite Prep Post позволяет детально изучить поиедсиле изделия Е1рн нагружен ни. [пользователь может просматривать результаты как в общем, для всей конструкции, так и детально - на уровне отдельного слоя.

Отличительной особенностью ДЫЙУЙ СотрояНе Ргер!1^ является наличие уникальных алгоритмов для моделирования драпировки, что позволяет учитывать л расчете реальную ориентацию волокон в свдп, даже в случае сложной геометрической формы изделия.

Согороайе Е'герРоя! может взаимодействовать как с МееЬапзеа!

в среде \Yoikbetieh. так и быть интегрированным е МееЬашеЫ

1. Обшис нрмнинны но моделированию композиционных материалов

в ПК «ANSYS»

Сегодня возможности ПК позволяют решать рахшчныс инженерные задачи. Проектирование и расчет конструкций из композиционных материалов является сложной инженерной задачей, поскольку необходимо учитывать особенности материала, такие как характеристики каждого составляющего по отдельности (волокна и матрицы), направления волокон (вдоль, поперек, под углом), зоны разделения составляющих. Полимерные композиционные материалы состоят из разнородных компонентов, обладающих индивидуальными свойствами и особенностями - матрица служит связующей основой, а армирующие наполнители обладают высокой прочностью [1-Х]. Создание адекватной расчетной модели является актуальной задачей.

ANSYS Composite PrepPost (АСР) - дополнительная утилита ANSYS Workbench, интегрированная со стандартами особенности анализа. Весь рабочий процесс композита от проектирования до получения конечного продукта может быть выполнен в АСР (рисунок 1).

.—Г—Г--"Г" • .

:— —

1 г—

-----«-Г-Г—^-

I

______ .1 —.. чт -

* <Г >*i

Рисунок 1 - Алгоритм (блок-схема) по созданию КЭ модели и расчету

композиционных материалов в ПК «ANSYS»

5

Для расчета композиционных материалов в «Ansys Workbench» приведен новый каталог под названием «Composite materials» (рисунок 2). Данная библиотека содержит типовые материалы (рисунок 3). используемые в конструкциях из композита: однонаправленные и тканевые стекло- и углепластики и заполнители.

t Uu 'пгш • * *

* » «J D

Milun У ItrtDi СИсцйиг

f Г»у(т*и

П * >j9»«iJus« ««Una* досяг* 4« -л* ri .»cu arv^rt«

li«*ll W Л» Г. Vf'tM

■ Гч*» в ►Wmvi tr» uw r n««Mt »»Ив

_iJ В ISKflwrHOW! 0 >Wn< чшипшш^мауича^

D WtCjv* mfci цж4х (наш«a^atac

■ ТЬтмМ*«-» В iai0i ^ii^i hm им r « ftv*n4 mtfn*

■ HjdHlNn* П w»«*» me * • IU< «n*m

■ '.»tMMNatr* П MM ич*1 атЛсЧг cunpoK* tlnjdun

• | 'lt>*>ttii*Ui<«<>lbi>f

Рисунок 2 - Новы1т каталог «Composite materials»

» с I

A J в с 0 с А

"or* «ГЦ or CWM»» rieowh Л ш ««г« Мао*»»

К <MaM

1 |v т

<fe т

в У

tpnr^CefcorMrtwwiTXK^P«*»»« V

*

tporf _C*bor.WtT*«n t>«tr»s V ж

HI Ш 1

% immtort fft W

*W ЧМ Гцк I«*»») V

Рисунок 3 - Типовые композиционные материалы Характеристики материала, отличающихся, от существующих в каталоге добавляются в «Engineering data», а не в модуле АСР. Чтобы соответствовать требованиям модуля АСР. материалы в «Ansys Workbench» обладают некоторыми дополнительными свойствами, которые приведены на рисунке 4.

Дополнительными свойствами являются:

• Тип пряли:

- однонаправленные:

- тканевые;

- заполнители.

• Прочностные характеристики:

- механические характеристики ортотропного материала.

- пределы деформации ортотропного материала.

• Критерии разрушения композиционных материалов:

- константы Цая-Ву;

- константы 11ак:

- константы 1_аКс03/04.

- О к

В Рг-даИ».

{МИСС* Свате«*« <* ТЬ»гт* Г .рлготг

(ХЬс»с«ж Мин СмНаМ Ы

Со**юаг* о# тътнНш&ткг "ЦЧ 0>1Ьа>с|Ж М«*«папа Са&жшг* Ы Пат* Ггряпмет ожвшчлге^чсоаяов*

[I

-1

9 1г»т Сяаас

В Г.;жп<»н ;7>»« VI«п СчГ« Ш н*о*<4мк

'«я* Чтот^Ь

V Сопц»«*»»« Яг«^ '»л«4»

¿он** I

схГпог^к *>*»

^ ТмчмиСопм«» ^ ХОСсмаН

V 1>эьсфк Ылп 1я*л

Л «алрм^т Рис*

Рисунок 4 - Дополнительные свойства материала в АСР Одним из требований расчета композиционного материала в модуле

ЛСР является создание геометрии в виде оболочки. Геометрия оболочки

7

может быть создана в среде самой программы jllh импортирована в виде CAD файла. Для совместной работы разных материалов в пределах одной расчетной схемы необходимо корректно создать схему проекта и при этом традиционные материалы (сталь, бетон, дерево) создаются твердотельным элементом.

Композиционный материал состоит из разнородных материалов, обладающих индивидуальными свойствами и особенностями - матрица служит связующей основой, а армирующие Е1аполннтели обладают высокой прочностью. В программном комплексе для расчета композиционных материалов учитываются различные критерии разрушения:

критерии по предельным значениям {критерии максимальных напряжений и деформаций):

критерии по объедиЕ1еЕ1ным значениям (критерий Цая-Хилла. критерии Лззи-Цая-Хилла, критерий Дмады-Суна, критерий Хоффмана. критерии Цвж-Бу):

критерии по виду разрушения {критерии Мака, критерий Хашнна. критерии Кунне).

В общем виде квадратичный критерий разрушения имеет вид:

/ " FutJÎ + Fnai + F33al+ Fm^ÎJ + + F^SF^Viffi + (1 )

^Fjia^i O3+ F-, Ci + F^o^+ ^з

Это уравнение описывает в пространстве напряжений предельную поверхеюсть, выход за которую и будет означать разрушение слоя композита. Примеры предельных кривых (проекции предельных поверхностей на плоскость Е1апряжений) ириисдсны на рисунке 5. В пространстве напряжений поверх еюсть квадратичного критерия будет представлять собой эллипсоид, сдвинутый от цсЕггра и наклоненной относительно осей.

напряжений (1) и деформации (2), а также квадратичным Пая - Хнлла (3) и Цая - Ву (4) Критерия разрушения Цая - Ву [9] в настоящее время является одним из наиболее используемых в мире и для определения коэффициента использования материала в примерах расчета принят данный критерии.

2. Пример расчета на центральное растяжение пул грушоннон

пластины в ПК «ANSYS» Отсутствие единой нормативной базы по расчету и проектированию конструкций из ПСП приводит к тому, что физико-механические характеристики конечного продукта заводов изготовителей отличаются. Одним из заводов по изготовлению профилен строительного назначения является ООО «Татнефть-Пресскомпозит». Нормативные характеристики 11СН приведены в таблице I.

Таблица 1 - Нормативные характеристики пултрузионного материала профилей

Показатели качества Обозначение Единица измерения Значение показателя

Предел прочности при растяжении в направлении 0°, не менее МПа 380

Предел прочности при растяжении в направлении 90е. не менее МПа 50

Модуль упругости при раетяжеини в направлении 0°. не менее ГПа 28

Модуль упругости при растяжении в r4, ГПа 8,5

[[1!-К!и!1.1СЛ][ сэ'КчЛва Обозначение Единица измерения -Значение показателя

шпраиенни 'ХУ. не менее

Предел прочности при сжатии в направлении О®, не менее МПа 270

Предел прочности при сжатии в направлении 9(Г. не менее МПа 150

Модуль упругости при шли в направлении 0®, не менее ГПя 20

Модуль упругости при шли в направлении 9(Г. не менее ¿V ГПя 7

Коэффициент Пуассона в направлении ие. не менее IV Г о_гз

Коэффициент Пуассона ь направленнн 911е. не менее 0,1

Предел прочности на смятие штифтом ь направлении 0* не менее ¿V МПа 150

Предел прочности на смятие штифтом в направлении 'ЛГ. не менее МПа 70

Предел прочности при межслоином сдвиге, не менее МПа 25

Модуль лрл сдвиге, не менее Йт Г[1а 3

Коэффициент линейного температурного рас гниения материала профиле ¡1 п «.6-10-*

Примечание. О"- направление, соогветстмукжгсс направлению вытягивав ид ь ходе пуптрузнн (продольное); 90* — направление, перпендикулярное направлении) вытягивании в ходе суттруян (поперечное).

Фп шко-механические мрактеристнкн пултру тонного .материала профилей ь таблице I отличаются от материалов прицеленных в каталоге кСошроше тятепяк1» Создание схемы проекта начинается с добавления нового материала (рне.&у

«44»

i J 4 4 •

r

T

V f

* —

Рисунок 6 - Создание нового материала в «Engineering data» После создания нового материала необходимо добавить дополнительные свойства для правильного расчета композита (рис.7). Дополнительные свойства добавляются путем "двойного клика" J1 КМ.

Рисунок 8 - Дополнительные свойства композиционного материала

Дополнительные свойства, которые необходимо добавить:

I ) Density/11лотность;

2) Orthotropic Elasticité Л'пругие характеристики ортотропиого материала;

3) Orthotropic Stress limits/ Механические характеристики ортотропиого материала:

4) Orthotropic Strain Limits/ Пределы деформации ортотропиого материала;

5) Tsai-W u Constants/ Константы Цая-Ву;

6) Ply Туре/ Тип пряли:

Геометрия пластины из ПСИ в виде оболочки создается в ПК и для этого в схему проекта добавляется модуль «Geometry» (рис.9а). Модуль «Geometry» добавляется в схему проекта путем перемещения с контекстного меню «Toolbox». В модуле «Geometry» создается геометрия пултрузионной пластины в виде прямоугольника размерами 200x20 м (рис.%). Функция «Pull» позволяет создавать оболочку (рис. 9в).

j

Рисунок У-Создание пластины в виде оболочки: а) добавление модуля «Geometry» в схему проекта; б) геометрия пултрузионЕюй пластины: в)

функция «PllJU

После того, как создана геометрия, н новьен композиционный материал в схему проекта добавляется модуль ЛСР Pre для создания направления волокон, многослойного композита с различиымн направлениями монослоя, отдел е>ных составляющих (рнсЛО), Модуль Engineering data (Ai) связывается с модулем АСР Pre (Engineering daca, Q2) при помощи линией свяла и Cieoinetiy (В2}с АСР Pre (Geometry, СЗ) (рис.11

E'hcveiok IÜ - Добавление модуля АСР в схему проекта

13

—

Рисунок 11 - Связывание модулей В режиме Model (С4) геометрия пластины разбивается на Ю и задается фиктивная толщина в 1 мм (рис.12).

а , I.:, • л n v j г »

• »•»■ ■ ; • щ 0 . « • ■ • — W » •

Рисунок 12 - Иултрузионная пластина с фиктивной толщиной в 1 мм Фактическая толщина пластины в 10 мм н характеристики композиционного материала назначаются в режиме Setup (рис.13).

1 ( .. I

- d *

MM»- HMc.1

О ><tn l

■WW* IMM MlkMlV

Гтм'Аш

Рисунок 13 - Общий вид режима Seiup и свойства слоя В режиме Oriented Selection Sets назначается точка вытягивания по толщине н направлению перпендикулярной плоскости композиционного материала (рис. 14).

■ u»» II I ■

- -1 »мы ■

Рисунок 14 - Точка вытягивания по толщине и направлению перпендикулярной плоскости композиционного материала Направление волокон (пултрузии) и количество слоев учитывается в режиме Modeling Groups (рис. 15). В данном примере рассматривается один слой с направлением волокон (пултрузии) вдоль длины пластины. Функция Show Fiber Directions позволяет проектировщику ориентировать направление волокон вдоль или поперек, а так же под определенным углом (рис.16).

Рисунок 15 - Режим Modeling Groups

Рисунок 16- Направление волокон (пултрузни) Далее добавляется автономная компонента «Statical Structural» отвечающий за статический аналнз конструкций и перетаскивается в схему

проекта, ячейка АСР с настройками перемещается в Model (рис. 17).

Рисунок 17 - Автономная компонента «Statical Structural»

0

Для определения коэффициента использования композиционного материала в режиме Solution предусмотрены различные критерии разрушения (рис. 18). При растяжении пултрузионной пластины с усилием 70000 Н - коэффициент использования материала равняется 1,09. что означает композиционный материал в этой точке разрушается (рис.19).

■ «- I I . • •

о » а • в £ -Я

Рисунок 18 - Режим Solution с критериями разрушений

3. Общие выво ты

1. ПК «ANSYS» позволяет учитывать особенности материала, такие как характеристики каждого составляющего по отдельности (волокна и матрицы), направления волокон (вдоль, поперек, под углом), зоны разделения составляющих.

2. Разработан алгоритм по созданию пултру знойных стеклопластиковых профилей и листов в ПК «ANSYS» с учетом прочностных характеристик однонаправленного материала, типа пряди, направления пулгрузин (волокон).

3. ANSYS Composite PrepPost (АСР) - дополнительная утилита ANSYS Workbench, интегрированная со стандартами особенности анализа. Весь рабочий процесс композита от проектирования до получения конечного продукта может быть выполнен в АСР.

(JiLiicük лнтерплры

L. Каблов. E.H. Инновационные разработки ФГУ11 нчВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки иа период до 1Û30 года» / Каблов. E.H. И Авиационные материалы и технологии. - 201 з. - L (34). - С, 3-33.

2. Каблов. E.H. Композиты: сегодня и завтра i Каблов. E.H. И Металлы Евразии. - 2015. - Ь-С. 36-39.

3. Каблов. E.H. Становление отечественного космического материаловеде]ни / Каблов. E.H. if Вестник ¡'ФФЗ-З_ -1017. - № 3. - С. 97-105.

4. Яковлев, НО. Трещнностойкость слоистых полимерных композиционных материалов (обзор) i 0_А_ Яковлев. Н.О_, Гуляев. А.И.. _|[ашоа // Груды В НАМ: тлекгрон. науч.-технич. жури. - 1Û16. - 4 (4Û)l - Ст.

5. Крылов, В.Д. Межслоевад трещи еюстойкость конструкционных полимерных композиционных материалов / O.A. Крылов. В.Д., Яковлев. Н.О., Курганова. Ю.А., Лашов fi Авиационные материалы и технологии. -2016. - 1(401 - С. 79-R5.

6. Власенко. Ф.С. Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях i А.Е. Власепко. Ф.С.. Раскугин fi Труды В НАМ: хпекгрон. науч.'Техннч. журн. - 2013. - № 8. * Ст. 3.

7. Ко]слрашов. C .B. Физико-механические свойства нанокомпозитов с УНТ (обзор) i Л.В. Кондратов, C.B., Шашкеев. К.А., Попков, О.В., Со.товьанчнк fi Пруды ВПАМ: электрон, науч.-технич. жури. - 2ÛL6. - Jte 5 t41 ). - Ст. S.

Й. Дорномелов. M С. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России (обзор) i Е.А. Дорномедов. М.С., Даековскин. М.И., Скр[|пачев. С. К).. Шеи и И Труды ВИАМ: электрон. нвуч.-техннч. журн. - 2016. - .Ne 7 (43). - Ст. Ч.

Tsai, S.W. Л fieneral Theory of Strength tor Anisotropic Materials i S.W. Tsai, E.M. Wu//Journal of Composite Materials. - 1971. - No. 5 (1). - P. 5K-

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

по расчету- цельнокомпозитных плоских решетчат

фасонках из пултрузионных стеклопластиковых профилей

Разработано:

доцент кафедры металлических конструкций и испытаний сооружений

УТВЕРЖДАЮ

РЕКОМЕНДАЦИИ

ФГБОУ ВО КГЛСУ, канд.техн.наук ассистент кафедры металлических конструкций и испытаний сооружений ФГБОУ ВО КГЛСУ

/

Казань 2022

Содержание

Содержание...................................................................................................................2

Введение............................................................................................................................3

L. Расчет и конструирование прогонов покрытия нз пул груз ионных 5

стеклопластн ковых профилей (ПСП}...............................................................

I. L .Выбор оптимального шага прогонов покрытия ni ПСП....................................................5

1.З.Опред елеЕнк расчетных внутренних усилии в про гоне......................................10

I .З.Раечет Еза изгиб прогонов в пролете............................................................................I ]

1.4.Расчет Еза сдвнг прогонов Еза опоре..................................................................................22

2. Расчет н коЕ1струироваЕаие трапециевидном фермы нз ПСП....................................25

2.1. Пример подбора сжатых тлемеЕ1тов.................................................................26

2.2. Пример подбора растя eivtlex ълемеЕ1тов...................................................................31

3. Расчет и конструирование узловых соединении эреыентов трапециевидной фермы $2 нз ПСП......................................................................................................

3.L. Несущая способность узлового сосдненшнд согласно «Руководство по 32 проостнрованню и расчету строитель] 1ых коЕктрукций из пултрузиоЕшых

стеклопластн ковых профилей производства ООО «ТатЕ1сфть-Пресскомпознт»..........

3.2. Расчет опорного узла фермы....................................................................................33

3.3. Расчет опорного узла фермы с применением феноменологического подхода............36

4. Общие выводы..............................................................................................39

Список л и тературы.........................................................................................40

171 Введение

Сегодня развивается проектирование и строительство цел ьноком побитных конструкции с применением пул тру знойных стеклоп ластиковых профилей (ПСП) строительного назначения [1]. Благодаря механическим характеристикам псп служит альтернативой стали и древесине. Широкое применение ПСП нашли в пешеходных и автомобильных мостах* временных каркасных сооружениях, независимых легких конструкциях в существующих зданиях.

Однако в строительстве широкому применению композитов препятствует ряд проблем. Главной среди них является отсутствие полноценной базы нормативно-технических документов на уровне СП., регламентирующих свойств композитов и правила их применения, а так же общие и частные вопросы проектирования конструкций с учетом особенностей свойств этих материалов. Использование новых материалов требует и применения новых конструктивных форм соответствуюищх специфическим особенностям композитов для эффективного использования их потенциала в инженерных конструкциях.

Последние два десятилетия многие исследования были посвящены узловым соединениям элементов из ПСП [2]. Узловые соединения элементов из ПСП выполняются болтовыми, клеевыми и клеемеханическими. В отечественных и зарубежных исследованиях в основном рассматривались соединения под прямым углом [3.4] (вдоль или поперек направлению волокон), где усилия в элементах совпадают или не совпадают с направлением пултрузии (волокон). Гораздо меньшее число испытаний проведено для соединений под различными углами к направлению пултрузии (волокон). Известно, что стропильная ферма образуется путем примыкания элементов решетки к поясу под различными углами через листовые фасонки. Согласно существующим нормам проектирования [5,6] для упрощения процесса конструирования фасонки должны быть изготовленье из

пластинчатого металла. Допускается заменять металлические элементы