Разработка моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Колтаков, Пётр Владимирович

• Колтаков, Пётр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колтаков, Пётр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ И РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА.

1.1. Фнзпческне особенности железобетона.

1.2. Стержневые модели железобетона.

1.3. Объемные анизотропные модели железобетона.

1.4. Численные исследования.

1.5. Перспективы усовершенствования расчетных методов.

1.6. Цели и задачи исследования.

1.7. Обзор и выбор расчётных комплексов МКЗ.

1.8. Выводы.

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДРОБНОГО НДС ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Выбор мегода дли решения задачи. Решение нелинейных задач в MSC.Marc.

2.1.1. Общие положения.

2.1.2 Способ ирпрашения нагрузки.

2.1.3. Метод длины дуги.

2.1.4. Коррекция решения при помощью усплнн-невязок.

2.1.5. Полный метод решения нелинейных уравнении Ньютона-Рафсона.

2.1.6. Решение нелинейных уравнений методом длины дуги.

2.2. Интерфейсные элементы.

2.3. Гиперупругая модель материалов (HYPOELASTIC).

2.3.1 Общее представление о модели.

2.3.2. Трехмерные элементы — три составляющих деформации.

2.3.3. Двухмерные элементы - две составляющих деформации (плоское напряженное состояние).

2.3.4. Двухмерные элементы - две составляющих деформации (плоское деформированное состояние)

2.3.5. Одномерные элементы — одна составляющая деформации.

2.4. Решение задач физического контакта в MSC.Marc.

2.4.1 Представление о задачах физического контакга.

2.4.2. Определение контактных тел.

2.4.3. Обнаружение контакга.

2.4.4. Моделирование трепня.

2.4.5. Моделирование склеивания (GLUE MODEL).

2.5. Встроенная в MSC.Marc модель бетона.

2.5.1. Параметры трещипообразовапня при одноосном напряженном состоянии.

2.5.2. Трещинообразование в хрупких материалах.

2.5.3. Разупрочнение при растяжении.

2.5.4. Закрытие трещины.

2.5.5. Разрушение от сжатия

2.6. Разработка методики для определения НДС железобетона с учетом трещин.

2.6.1. Учет трещннообразовання.

2.6.2. Автоматическое добавление интерфейсных элементов в сетку.

2.6.3. Учёт нелинейности бетона.

2.6.4. Учёт усадки.

2.6.5. Учет армирования.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.

3.1. Тестирование модели на неармнрованном бетонном "СТ" образце.

3.1.1. Описание проводимого эксперимента.

3.1.2. Результаты экспериментальных испытаний.

3.1.3. Численное моделирование МКЭ.

3.1.4. Результаты численного моделировании.

3.2. Тестирование разработанной методики на армированной железобетонной балке с рабочей продольной и поперечной арматурой.

3.2.1. Описание проводимого эксперимента.

3.2.2. Результаты экспериментальных испытании.

3.2.3. Численное моделирование МКЭ.

3.2.4. Результаты численного моделирования.

3.2.5. Сравнение результатов расчёта с СП 52-01-2003.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ДЛЯ РАСЧЁТА РЕАЛЬНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РИГЕЛЯ.

4.1 Общая часть.

4.2. Постановка задач и принятые исходные данные для расчетов.

4.2.1. Особенности конструкции.

4.2.2. Особенности действующих нагрузок.

4.3. Описание моделей МКЭ.

4.3.1. Задачи КЭ моделей и нх общее описание.

4.3.2. Объединение старого и нового бетона при устройстве железобетонной канители в модели №2.

4.3.3. Площадь продольной арматуры.

4.3.4. Принимаемые донущеннл.

4.3.5. Стадийность.

4.4. Результаты.

4.4.1. Причина образования наклонных трещин в сжатой зоне ригеля.

4.4.2. НДС ригеля от проектной расчётной нагрузки и необходимость в реконструкции.

4.4.3. НДС ригеля на этапе снятия части бетона в сжатой зоне от расчётной нагрузки.

4.4.4. Расчёт НДС ригеля после усилении.

4.4.5. Сводная таблица результатов.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений»

Мосты относятся к конструкциям, которые эксплуатируются в сложных условиях, что оказывает значительное влияние на процессы развития и накопление повреждений. В процессе эксплуатации в мостовых железобетонных конструкциях образуются трещины и другие повреждения, которые в зависимости от своего характера и размеров могут оказывать существенное влияние на их прочность и долговечность. В случае возникновения значительных трещин в элементах мостовых конструкций, которые по длине и раскрытию превышают допустимые, необходимо оценить несущую способность элемента с повреждениями, прогнозировать их дальнейшее развитие и напряженно-деформированное состояние элемента после устранения повреждений и реконструкции.

В реальной конструкции могут одновременно присутствовать и развиваться трещины разных типов: силовые, температурно-влажностные и пр. Необходимо принимать во внимание проявление нелинейных свойств бетона, которые оказывают существенное влияние на развитие трещин и характер их распределения, а также то, что процесс трещинообразования носит многоуровневый характер.

Современная теория расчёта мостовых железобетонных конструкций должна позволять обоснованно использовать резервы несущей способности, связанные с ограниченным развитием пластических деформаций и других проявлений физической или геометрической нелинейности материалов в мостовых конструкциях. Одним из основных направлений теории расчета мостовых конструкций, в частности, железобетонных является разработка методов их расчета, адекватно учитывающих действительные условия работы конструкции, как при эксплуатационных нагрузках, так и в предельном состоянии.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) активно используется для расчета мостовых конструкций, однако, расчёт конструкций из железобетона всё ещё вызывает сложности, связанные с учетом его физических особенностей.

Проблемы, возникающие при расчете по МКЭ, связанны с тем, что бетон имеет разные прочностные свойства при сжатии и растяжении; в процессе эксплуатации в нем возникают трещины, вызывающие перераспределение усилий, помимо этого ключевую роль в работе железобетона играет арматура, которая при определённых усилиях может проскальзывать в теле бетона, что существенно влияет на процессы трещинообразования. Многие расчетные комплексы, включающие модели ортотропных материалов, не позволяют учитывать разные пределы прочности бетона при растяжении и сжатии.

В связи с этим, тема диссертации посвящена развитию и внедрению численных методов расчета мостовых железобетонных конструкций, учитывающих действительный нелинейный характер работы бетона и арматуры под нагрузкой, образование и развитие трещин и особенности работы железобетонных элементов с трещинами, является актуальной.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является создание эффективной численной методики и программных средств для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций наиболее полно отражающей физическое поведение железобетона.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований: ® анализ существующих методов расчета и результатов испытаний железобетонных конструкций с учетом нелинейного деформирования бетона и трещинообразования; • разработка методики определения НДС пространственных железобетонных конструкций, основанной на методе конечных элементов, позволяющей учитывать силы сцепления бетона с арматурой, проскальзывание арматуры и концентрацию напряжений в арматуре в районе трещин, влияние прочностные свойства бетона на растяжение и сжатие с учетом нелинейного поведения бетона, а также моделировать процессы образования и развития трещин на каждом шаге нагружения;

• сравнение предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и существующими способами расчета изгибаемых железобетонных конструкций с учетом образования трещин;

Методика исследований.

Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, включающий в себя анализ существующих методов и расчетных комплексов метода конечных элементов (МКЭ), выбор оптимальных программных средств на базе MSC.Software, применение и разработка интерфейсных конечных элементов, входящих в состав элементной базы расчётного комплекса MSC.Marc. При этом подробно рассматриваются основные характеристики системы "бетон-арматура" и нелинейные особенности этих материалов. Для проверки получаемых результатов использовались данные натурных испытаний.

Проведено обоснование расчетной модели МКЭ совместно с моделью материала, позволяющей задавать нелинейные ветви, как для сжатия, так и для растяжения путем тестирования на основе известных теоретических (СНиП 5201-2003) и экспериментальных решений.

Научная новизна работы

• Впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели, основанные на сочетании интерфейсных и твердотельных элементов, применении моделей, учитывающих нелинейные свойства материала и решении задачи физического контакта для расчета и исследования НДС железобетонных мостовых конструкций;

• Разработана численная методика, позволяющая получать объемную картину трещинообразования в мостовых железобетонных элементах на каждом шаге нагружения и показывать её развитие, а также определять причины возникновения образовавшихся трещин в этих конструкциях; Разработана методика определения НДС в мостовых железобетонных конструкциях, позволяющая учитывать совокупность таких особенностей, как нелинейность бетона, трещинообразование, сложное армирование, сцепление арматуры с бетоном и усадка.

Практическая ценность

Разработана методика расчета, которая позволяет определять НДС различных железобетонных элементов транспортных сооружений, в том числе массивных элементов не стрежневого типа с учетом процессов трещинообразования и других важных физических особенностей железобетона.

Разработана программа, позволяющая значительно упростить и ускорить процесс подготовки КЭ сетки для расчёта по предлагаемой методике. Разработаны рекомендации по применению методики расчета к анализу трещиностойкости в мостовых железобетонных конструкциях.

Достоверность положений и выводов диссертации обеспечивается: строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; сравнением результатов тестовых расчетов и известных экспериментальных данных; сопоставлением с известными положениями строительной механики, теории упругости, механики разрушения и теории железобетона; квалифицированным использованием известного лицензионного комплекса МКЭ - MSC.Marc.

На защиту выносятся:

• результаты анализа отечественных и зарубежных методов определения НДС железобетонных конструкций; методика разработки моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений, реализованная с использованием программного комплекса MSC.Marc;

• результаты проверки достоверности разработанной методики;

• результаты применения разработанной методики при определении причин возникновения дефектов в железобетонном ригеле, находящимся в стадии эксплуатации и определение его НДС с учетом имеющихся дефектов.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

• при разработке вариантов усиления ригеля по заданию ООО «111111»Абсида», находящегося в стадии эксплуатации в ОАО «РусГидро -Чебоксарская ГЭС»;

• при выполнении НИР кафедры по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

• в учебном процессе кафедры строительной механики МАДИ.

Апробация работы

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: Форум MSC 2008 (одиннадцатой Российской конференции пользователей MSC), Форум MSC 2009 (двенадцатой Российской конференции пользователей MSC), на ежегодных научно-технических конференциях МАДИ, а также на кафедрах «строительной механики» и «мостов и транспортных тоннелей» МАДИ.

Публикации,

По результатам исследования опубликованы три печатные работы в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

1. Клейн В.Г., Колтаков П.В. Моделирование процесса образования дефектов в железобетонных балках с использованием МКЭ / Вестник МАДИ (ГТУ). - Вып. 2(17). - 2009. - С. 86-89.

2. Клейн В.Г., Колтаков П.В. Метод конечных элементов при расчётах железобетонных конструкций с учётом дефектов / Транспортное строительство, №10. - М., 2009. - С. 26-28.

3. Клейн В.Г., Колтаков П.В. Расчёт железобетонных конструкций с учётом дефектов методом конечных элементов / Строительные конструкции зданий и сооружений дорожного сервиса: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2009. - С. 51-61.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 175 стр., 107 иллюстраций, 8 таблиц и включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 136 наименований и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Колтаков, Пётр Владимирович

5. Общие выводы

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные соискателем, заключаются в следующем:

1) На основании проведённого литературного обзора было установлено, что имеющиеся на сегодняшний день методики расчёта железобетона условно можно разделить на две группы - методики, использующие стрежневые модели железобетона и методики, основанные на объемных анизотропных моделях железобетона. Для каждой из них характерны свои достоинства и недостатки.

2) Для первой группы характерно следующее: сильно упрощаются процессы трещинообразования; расстояние между трещинами определяется эмпирически; не учитывается местное действие нагрузки и объемное НДС; сложность переноса таких моделей на МКЭ, если подразумевается использования инструментов механики разрушения.

3) Для второй группы справедливо следующее: железобетон рассматривается как анизотропный материал, в то время, как он является сложной композитной конструкцией; не применяется механика разрушения для определения динамки и роста трещины, поскольку нет возможности моделировать поле НДС в вершине трещины; сцепление арматуры с бетоном учитывается при помощи идеализированных эпюр контактных напряжений и деформаций основанных на эмпирических зависимостях; напряжения и деформации арматуры в трещине и между трещинами определяются, исходя из параметров полученным эмпирическим путем.

4) На основе расчётного комплекса MSC.Marc разработана новая, комбинированная модель железобетона, основанная на совместном использовании такого инструментария, как: интерфейсные элементы, разработанная программа по автоматическому добавлению интерфейсных элементов в модель, модель HYPOELASTIC и решение задач физического контакта.

5) Новая модель позволяет производить:

• расчёт железобетона как сложной композитной конструкции;

• оценку НДС железобетона в области арматурного стержня с привлечением инструментов теории пластичности и решения задач физического контакта; моделирование процесса проскальзывания арматуры исходя из реального НДС и описания реальных физических механизмов влияющих на проскальзывание; ® определение НДС железобетонного элемента с одновременным учетом изменения его расчётной схемы после образования трещин, проскальзывания арматуры, нелинейности сжатого и растянутого бетона с разными пределами прочности на сжатие и растяжение; получение расстояния между трещинами численными методами; получение картины трещинообразования и динамики её развития на основе реального объемного НДС с привлечением методов механики разрушения; определение длины и раскрытия трещины на основе анализа реального объемного НДС и констант механики разрушения;

6) Комбинированная модель железобетона была протестирована на достоверность получаемых по ней результатов по напряжениям, деформациям, картине трещинообразования, величине раскрытия трещин.

По результатам численного моделирования разрушения "CT-test" образца был построен график "нагрузка - раскрытие трещины", который достаточно хорошо совпадает с графиком, полученным в ходе натурных испытаний.

Полученные поля напряжений и относительных деформаций, а также форма и местоположение областей концентраций напряжений и относительных деформаций возникают в области вершины трещины, моменту начала разрушения соответствуют напряжения и относительные деформации соответствующие пределу прочности бетона на растяжение, что совпадает с известными экспериментальными данными.

7) По результатам расчёта двухопорной железобетонной балки были получены и сопоставлены с экспериментальными данными прогибы, объемная картина образования и развития трещин, разрушающая нагрузка и получена схема разрушения.

На основании сравнения были сделаны следующие выводы: разработанная методика расчёта позволяет получать картину трещинообразования хорошо совпадающую с экспериментальной вплоть до ветвления трещин; разрушение происходит по наклонному сечению, что соответствует опыту; максимальное раскрытие нормальной трещины при эксплуатационной нагрузке незначительно отличается от эксперимента; скачки на графике прогибов соответствуют моменту образования трещин.

Получаемые результаты по разработанной методике сравнивались с рассчитанными по нормативным документам. Расхождение с нормами составляет в среднем 10-15%.

8) Разработанная методика применялась для расчёта реального железобетонного ригеля мостового перехода. На основании проведённых расчётов была определена причина возникновения наклонных трещин в сжатой зоне ригеля, а также НДС ригеля, спрогнозировано его дальнейшее поведение, а также предложен и рассчитан вариант реконструкции этого ригеля.

9) Созданная методика расчёта может быть рекомендована для расчёта сложных пространственных железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости, деформативности, может быть использована при поверочных расчётах во время эксплуатации и проектирования . Созданная методика может быть применена для детального численного исследования процессов ползучести, потерь в преднапряжении, и т.д.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колтаков, Пётр Владимирович, 2010 год

1. П. Теория силового сопротивления железобетона / М. П. Аванесов, В. М. Бондаренко, В. И. Римшин. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - 170 с.

2. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат. 1981.

3. Банков, В. Н. Общий случай расчета прочности элементов по нормальным сечениям / В. Н. Байков, А. И. Додонов, Б. С. Расторгуев и др. // Бетон и железобетон. 1987. - №5. - С. 16-18.

4. Байков, В. Н. Определение напряженно-деформированного состояния железобетонных балок в предельной стадии по неупругим зависимостям а-а бетона и арматуры / В. Н. Байков, В. М. Поздеев // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1985. - №1. - С. 1-5.

5. Балан, Т. А. Модель деформирования бетона при кратковременном нагружении. / Строительная механика и расчёт сооружений. 1966. - №4. -С. 32-36.

6. Бачинский, В. Я. Методические рекомендации по определению параметров диаграммы "а-е" бетона при кратковременном сжатии / В. Я. Бачинский, А. П. Бамбура, С. С. Ватагин, Н. В. Журавлёва; НИИСК. К., 1985. - 16 с.

7. Бачинский, В. Я. Некоторые вопросы, связанные с построением общей теории железобетона / В.Я. Бачинский // Бетон и железобетон. 1979. -№11.-С. 35-36.

8. Бачинский, В. Я. Связь между напряжениями и деформациями бетона при кратковременном неоднородном сжатии / В. Я. Бачинский, А. Н. Бамбура, С. С. Ватагин // Бетон и железобетон. 1984. - №10. - С. 18-19.

9. Болотин, В. В. Теория статистических ансамблей усталостных трещин с приложением к прогнозированию надёжности и ресурса. / Механика и научно-технический прогресс Т. 3. - Механика деформир. твёрдого тела. -М.: Наука. - 1988. - С. 23-35.

10. Бондаренко, В. М. Инженерные методы нелинейной теории железобетона / В. М. Бондаренко, С. В. Бондаренко. М.: Стройиздат, 1982. - 287 с.14