авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Деформационная модель и методика расчета железобетонных балок-стенок с учетом образования и развития трещин

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Воронин Захар Андреевич

ДЕФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ И

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК-СТЕНОК

С УЧЕТОМ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Петрозаводск

2009

Диссертационная работа выполнена на кафедре архитектуры, строительных конструкций и геотехники в ГОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Петров Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Карпенко Николай Иванович;

доктор технических наук, профессор

Веселов Анатолий Александрович

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита состоится " 21 " мая 2009 г. в 14.30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, 505-А.

Факс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО СПбГАСУ ( http://spbgasu.ru ).

Автореферат разослан « 20 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., доц. Л.Н. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в строительстве для выполнения статических расчетов конструктивных элементов (определения усилий, напряжений и деформаций в элементах конструктивной схемы), как правило, используются специальные компьютерные программы и программные комплексы, в основе которых лежит метод конечных элементов. При этом в качестве физических соотношений между усилиями и деформациями используются зависимости для сплошного упругого изотропного тела. Между тем, для железобетонных элементов такой подход может приводить к существенным погрешностям, поскольку в них при действии эксплуатационных нагрузок, как правило, образуются трещины и развиваться неупругие деформации, что вызывает снижение жесткостных (деформативных) характеристик и перераспределение усилий в элементах системы, увеличение прогибов и перемещений. Поэтому дальнейшее совершенствование и развитие деформационной модели железобетона и разработка на ее основе методов расчета, учитывающих образование трещин и развитие неупругих деформаций в железобетонных элементах, а также их реализация в виде компьютерных программ расчета строительных конструкций, остается весьма важной.

Методика расчета плоскостных конструкций, разработанная в рамках диссертационных исследований, предназначена для расчета пластин, работающих в своей плоскости. Такие задачи встречаются при расчете и проектировании многих железобетонных конструкций: диафрагм, перегородок, перемычек, стеновых панелей и др.

Тема диссертации отвечает программе НИР РААСН на 2005 – 2010 гг. «Развитие механики строительных конструкций с учетом реальных физико-механических, реологических свойств материалов, износа и повреждения, обеспечение прочности зданий и сооружений» и частично выполнялась в рамках грантов РААСН для молодых ученых и исследователей 2005 и 2006 гг.

Целью работы является разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния и железобетонных балок-стенок при плоском напряженном состоянии с учетом нелинейного деформирования бетона и арматуры, трещинообразования бетона, влияния сложного напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики бетона; применение разработанной методики для численного исследования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния железобетонных плоскостных конструкций, в том числе балок-стенок на точечных опорах, для их рационального и надежного проектирования.

Составляют научную новизну и выносятся на защиту:

  • Деформационная модель и методика физически-нелинейного расчета железобетонных балок-стенок с учетом образования и развития трещин, нелинейности деформирования бетона и арматуры и влияния плоского напряженного состояния на прочностные и деформативные характеристики материала.
  • Способ формирования матриц физических характеристик бетона и железобетона, учитывающий различные стадии работы материала до и после образования трещин, развитие нелинейных деформаций бетона и арматуры, нарушение сцепления арматуры с бетоном в полосах бетона между трещинами, а также неравномерность развития пластических деформаций арматуры на участках между трещинами.
  • Способ учета нелинейности деформирования бетона на основе полной диаграммы сжатия-растяжения бетона, наиболее точно учитывающей особенности поведения этого материала под нагрузкой.
  • Шагово-итерационный алгоритм физически-нелинейного расчета железобетонных балок-стенок с учетом образования и развития трещин на базе предложенной деформационной модели.
  • Компьютерная программа расчета железобетонных балок-стенок с учетом образования и развития трещин методом конечных элементов.
  • Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния экспериментальных железобетонных конструкций при простом пропорциональном загружении кратковременной нагрузкой.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы предназначены для внедрения в нормативный документ строительного проектирования – «Свод правил по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций», а также используются в практике проектирования и при чтении курса «Железобетонные и каменные конструкции» на строительном факультете Петрозаводского государственного университета.

Практическое значение работы состоит в разработке методики и компьютерной программы физически-нелинейного расчета железобетонных балок-стенок с учетом образования и развития трещин. Использование предлагаемой методики и программы расчета позволяет получить достоверные сведения о напряженно-деформированном состоянии бетона и арматуры конструкции.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием теоретически обоснованных методов строительной механики и теории упругости и подтверждается сравнением результатов выполненных по предлагаемой методике расчетов с известными экспериментальными данными из литературных источников.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 55 и 56-ой научных студенческих конференциях ПетрГУ (2003, 2004 гг.), на 21-ой Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов» в 2005 г., на 22-ой Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов» (BEM &FEM 2007).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 8 научных публикациях, в том числе одна статья в центральном рецензируемом издании, включенном в перечень ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, выводов и списка литературы. Объем работы составляет 122 страницы машинописного текста, содержит 42 рисунка и 7 таблиц. Список литературы включает 130 наименований, из них 102 – на русском языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные задачи исследования, научная новизна, актуальность работы, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются деформационные модели железобетона с трещинами при плоском напряженном состоянии. Простейшей физической моделью железобетона является линейно-упругий изотропный материал, в котором арматура заменяется эквивалентным по жесткости количеством бетона. Однако для железобетонных элементов, работающих в условиях плоского и объемного напряженного состояния, эта модель неприемлема, так как железобетон является существенно физически-нелинейным материалом. Основными факторами, вызывающими нелинейность железобетона, являются образование и развитие трещин, а также проявление неупругих свойств бетона и арматуры.

С точки зрения практического применения наибольшее распространение получили нелинейные модели железобетона, в которых свойства железобетона с трещинами аппроксимируются свойствами некоторого сплошного анизотропного тела. Наиболее успешно разрабатываются модели, основанные на деформационной теории пластичности бетона и железобетона Г.А. Гениева и теории деформирования железобетона с трещинами Н.И. Карпенко.

Соотношения между напряжениями и деформациями железобетона при кратковременном действии нагрузки, приложенной в условиях простого пропорционального нагружения, получены Г.А. Гениевым с учетом следующих допущений:

  • арматура расположена в ортогональных направлениях, совпадающих с координатными осями, и размеры тела велики по сравнению со средними расстояниями между арматурными стержнями. Арматура рассматривается как упругая анизотропная среда;
  • арматура воспринимает только нормальные напряжения;
  • полные напряжения в железобетоне складываются из напряжений в бетоне и арматуре;
  • условием совместности работы бетона и арматуры является равенство деформаций хотя бы в отдельных точках.

Теория деформирования железобетона с трещинами Н.И. Карпенко содержит вывод физических уравнений, связывающих деформации с обобщенными внешними усилиями, вывод зависимостей для определения напряжений в бетоне и арматуре, ширины раскрытия трещин и других характеристик напряженно-деформированного состояния. Теория учитывает следующие свойства элементов с трещинами:

  • считается, что с образованием трещин бетон разделяется на отдельные полосы и выключается из работы лишь по линиям трещин, где все усилия передаются на арматуру. По другим сечениям бетон и арматура работают совместно. Совместное деформирование системы бетон-арматура обеспечивается за счет сцепления (связи по контакту) арматуры с бетоном между трещинами;
  • сцепление арматуры с бетоном на участке между трещинами предполагается таким, что условие равенства осевых контактных перемещений арматуры и бетона нарушается всюду, кроме отдельных точек. Таким образом, деформации арматуры могут значительно превышать деформации бетона по одноименным направлениям. С другой стороны, наличие указанных точек позволяет рассматривать деформации бетона и арматуры как одной системы;
  • учитывается возникновение в арматуре в трещинах как нормальных, так и касательных напряжений. Природа касательных напряжений в арматуре связана с тангенциальными перемещениями арматуры под воздействием бетона и сдвигом берегов трещин;
  • связь между напряжениями арматуры в трещинах и на участках между трещинами осуществляется с использованием принципа В.И. Мурашева.

Также в первой главе рассматриваются вопросы решения физически нелинейных задач железобетона методом конечных элементов (МКЭ).

В основе МКЭ лежит разделение сплошной среды на элементы простой формы. Элементы связаны между собой в узлах, располо­женных на границах элементов. Деформации внутри элемента определяются через его узловые перемещения

, (1)

где – символ элемента;

– вектор деформаций элемента, ;

– матрица преобразования вектора обобщенных узловых перемещений в вектор деформаций;

– вектор обобщенных узловых перемещений.

Матричное соотношение между напряжениями и деформациями в предположении упругого поведения материала имеет вид

(2)

где – вектор напряжений,

- матрица физических характеристик материала.

Равновесие системы обеспечивается равенством между обобщенными узловыми перемещениями и обобщенными узловыми силами

. (3)

Решение задачи о перемещениях конструкции сводится к решению системы линейных уравнений

, (4)

где – глобальная матрица жесткости для совокупности конечных элементов.

Для получения коэффициентов жесткости КЭ используется процедура

, (5)

где h – толщина КЭ.

Нарушение зависимости

(6)

приводит к физической не­линейности, что связано с изменениями физических свойств ма­териала, проявлением пластичности, ползучести, накоплением повреждений и другими структурными изменениями. Ярко выраженная физическая нелинейность является характерным свой­ством железобетона.

В случае физической нелинейности соотношение (2) сле­дует записать в виде, учитывающем зависимость физичес­ких характеристик от напряженно-деформированного состояния

. (7)

Вектор перемещений является решением физически нелинейной задачи, если одновременно удовлетворяются соотношения (3) и (7). Это достигается соответствующим подбором пара­метров . В зависимости от того, какой пара­метр является переменным, различают несколько подходов к реше­нию физически нелинейных задач.

Модификация матрицы на итерациях лежит в основе метода переменной жесткости. В этом методе матрица физических характеристик ставиться в зависимость от перемещений

. (8)

Так как матрица участвует в формировании матрицы жест­кости всей конструкции , уравнение равновесия принимает вид:

. (9)

Решение задачи достигается с помощью итерационного процесса. На каждой итерации материальные константы в выражении (2) ставятся в зависимость от достигнутых на предыдущем шаге пере­мещений. Решение на каждом шаге итерационного процесса полу­чается на основе линейной зависимости

. (10)

Процесс продолжается до тех пор, пока решение не перестанет изменяться.

Во второй главе рассматриваются основные физические зависимости деформирования материалов и критерии прочности бетона.

Связь между напряжениями и деформациями совместно с критерием прочности определяют характер деформирования и разрушения бетонных элементов. Основные физические соотношения для бетона при плоском напряженном состоянии для описания диаграмм деформирования бетона (рис. 1) представляются в двух вариантах:

  • в виде связи между напряжениями и деформациями
(11)

где ­– относительные деформации бетона;

– напряжения в бетоне;

– начальный модуль упругости бетона;

– коэффициент изменения секущего модуля, определяемый по формуле, предложенной Н.И.Карпенко;

  • в виде связи приращений напряжений и приращений деформаций. При записи в приращениях секущие модули заменяются касательными
, (12)

– коэффициент изменения касательного модуля.

Коэффициенты изменения секущих модулей вычисляются по формуле

, (13)

здесь – значение коэффициента в вершине диаграммы при ;

– начальный коэффициент изменения секущего модуля;

– коэффициенты, характеризующие полноту диаграммы материала, причем ;

– уровень напряжений;

, (14)


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.