В статье производится анализ различных форм контакта анкеров с бетоном в монолитном перекрытии по металлическим балкам при помощи ПК Ansys. Сделаны выводы о характере работы перекрытия.
Ключевые слова: сталежелезобетон, нарушенное сцепление, контакт, численная модель, анкеры.
На сегодняшний день технологии в сфере строительства развиваются с небывалой скоростью, но также к ним и увеличиваются требования, призванные обеспечивать надежность зданий и сооружений, сокращать сроки строительства, облегчать производство работ в трудных условиях. Большую популярность в таких условиях набирают композитные и составные конструкции, составные части, которых за счет индивидуальных положительных свойств компенсируют недостатки других.
Одной из набирающих популярность составных конструкций, является сталежелезобетон. Из множества строительных конструкций он относится к особому классу в современном строительстве. Составная форма этих элементов многообразна, поэтому можно применять разные конструктивные системы. По названию можно сделать вывод, что сталежелезобетонные конструкции являются системой, состоящей из монолитного железобетона, стальной части и соединительных элементов [1]. Поэтому сталежелезобетон является отличным примером композитного материала.
Особенность работы сталежелезобетона обеспечивается из-за совместной работы железобетонной и стальной части. По сравнению с традиционными конструкционными материалами, сталежелезобетон обладает рядом преимуществ. Если сравнивать с монолитными железобетонными конструкциями, то применение конструкций из сталежелезобетона позволяет уменьшить общий вес зданий и сооружений, значительно сократить сроки строительства, так же позволяет уменьшить расчетные сечения конструкций. В сравнении со стальными конструкциями, то сталежелезобетон обладает большей жесткостью и меньшим расходом стали, что в значительной степени удешевляет конструкции.
Как и в любой конструкции помимо положительных свойств, присутствуют некоторые сложности применения и недостатки. При расчетах необходимо учитывать стадийность производства работ, сдвиг материалов разной природы относительно друг друга, специфические воздействия и другие факторы. Совокупность данных факторов требует значительного количества исследований и экспериментов, где совмещены разные материалы по физико-химическим свойствам, по мимо всего этого, процесс усложняется устройством необходимостью устройства соединительных элементов, таких как анкерных стержней или стад-болтов, которые так же могут быть выполнены из различных материалов.
Одной из главных проблем при проектировании зданий и сооружений с применением сталежелезобетона является сложность расчета. Часто встает вопрос о назначении жесткостей, распределение которых оказывает существенное влияние на распределение усилий, кроме всего этого актуальным остается вопрос о корректном распределении напряжений в сечении композитного материала, обладающим внутренней статической неопределимостью для каждого материала. Возможности аналитических расчетов не всегда позволяют учесть выше изложенные факты, так как при производстве строительно-монтажных работ, могут возникать дополнительные факторы, оказывающие влияние, такие как некачественные материалы или допущение ошибок со стороны человека. Выходом из данной ситуации является проведение различных экспериментов, которые позволяют учесть выше изложенные факты, но за частую проведение эксперимента оказывается экономически не выгодно.
На сегодняшний день проведение численных экспериментов набирает все большую популярность. Современные программно-вычислительные комплексы позволяют проводить не только в линейной и нелинейной поставке, но и благодаря широкому спектру возможностей задавать и учитывать различные условия для задачи.
В настоящей статье рассматривается монолитное перекрытие по металлическим балкам с нарушенным сцеплением анкеров. Для выполнения расчета была построена модель перекрытия в ПК Autodesk Revit и далее импортирована в ПК Ansys, где были заданы граничные условия, материалы и условия контакта для стержневых анкеров, моделирующих различные типы сцепления с бетоном.
Катин в своей работе [2] утверждает, что в предельном состоянии в поперечном сечении гибкого стержня при воздействии сдвигающей нагрузки наступает текучесть стали, а величина расчетной нагрузки на вертикальный анкер может определяться по формуле: T=к тр ∙R a ∙A an ,
где к тр — коэффициент трения стали по бетону, принимаемый равным 0,45÷0,7.
Однако в работе стержневого анкера необходимо также учитывать влияние бетона на прочность контакта Кроме того, нужно обратить внимание на то, что разрушение анкерной связи возможно также и от раскалывания бетона, т. е. прочность анкерной связи в равной степени зависит как от прочности самого анкера, так и от прочности окружающего его бетона. Базируясь на этот вывод, Г. Г. Шорохов [3] на основании экспериментальных исследований установил зависимость для определения прочности вертикального анкера: T=0,075∙R a d a √R b
Результаты исследований гладких анкеров с головками нашли отражение в расчетных выражениях для определения прочности анкерных связей, приведенных в нормах США AASHO [4].
Выражения применительно к нашим характеристикам материалов могут принимать следующий вид:
T=100∙d a 2 ∙√R b , при условии l a /d a ≥ 4,5
T=24∙ l a ∙d a ∙√R b , при условии l a /d a < 4,5
Во многих нормах, как российских, так и зарубежных, рекомендуется производить проверку анкеров на срез и смятие бетона.
Во многих источник так же указывается что для надежной анкеровки достачно длины анкера равной 7 диаметрам анкера [5].
Проведя анализ нормативной литературы, был сделан вывод, что не предъявляются требования к анкерам с отсутствующим сцеплением.
Для анализа сталежелезобетонных конструкций с нарушенным сцеплением, как было сказано ранее, был применен ПК Ansys. Для реализации различных форм контакта бетона и стальных анкеров были применены встроенные функции программного комплекса. В качестве исследования были рассмотрены 3 расчетные модели с различными формами контакта:
— В первой модели для контакта между анкерами и бетоном был применен Rough, моделирующий разрыв без скольжений, что подразумевает жесткое сцепление между телами
— Во второй модели был применен контакт Frictionless, моделирую скольжение без трения
— В третье модели использован контакт Friction, моделирующий скольжение с трением, был применен коэффициент трения 0,5
В качестве анкеров были использованы арматурные стержни ø10, установленные в 2 ряда с шагом 200 мм и прикреплённые жестко к двутаврой балке. Расчетная модель представлена на рис. 1.
Рис.1. Расчетная модель
Напряжения анкеров с контактом Rough приставлены на рис. 2.
Рис .2. Напряжения в анкерах при жестком контакте
Деформации анкеров с контактом Rough приставлены на рис. 3.
Рис. 3. Напряжения в анкерах при жестком контакте
При данной форме контакта можно наблюдать что пространственная работа конструкции обеспечивается.
Видна закономерность роста деформаций и напряжений от середины пролета к краям металлической балке. Так же анализируя напряжения можно сказать что происходит равномерный рост контактных зон смятия бетона.
Далее для сравнительного анализа была проанализирована численная модель с нарушенным сцеплением анкеров.
Деформации анкеров с контактом Frictionless приставлены на рис. 4.
Рис. 4. Деформации в анкерах при отсутствии сцепления
Напряжения анкеров с контактом Frictionless приставлены на рис .5.
Рис. 5. Напряжения в анкерах при отсутствии сцепления
У анкеров с нарушенным сцеплением увеличиваются деформации приблизительно на 68 %, в тоже время напряжения увеличиваются приблизительно на 63 %. В то время как у анкеров с обеспеченным сцеплением рост происходит незначительный, что говорит о перераспределении напряжений между анкерами.
Дальнейшая анализ проводился у модели с заданным коэффициентом трения у анкеров.
Деформации анкеров с контактом Friction приставлены на рис. 6.
Рис. 6. Деформации в анкерах при коэффициенте трения 0,5
Напряжения анкеров с контактом Friction приставлены на рис. 7.
Рис. 7. Напряжения в анкерах при коэффициенте трения 0,5
В модели с заданным коэффициентом терния так же происходит рост деформаций относительно обеспеченного контакта на 68 %, но относительно отсутствия сцепления деформации меньше уменьшаются примерно на 1 %, напряжения в свою очередь остаются прежние. Но при этом происходит равномерный рост контактных зон смятия бетона, что говорит о более опциональной форме данного контакта, как для анализа конструкции с нарушенным сцеплением.
По результатам проведенных анализов, можно сказать для анализа анкеров с нарушенным сцеплением наиболее опционально подходит функция задания контакта Friction с экспериментальным или численным определением коэффициента трения для получения более точной картины поведения конструкции.
Литература:
1. СП 266.1325800.2016. Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования. — Введ. 2017–07–01. — М.: Издательство стандартов, 2017.
- Катин, Н. И. Работа закладных деталей с нормальными гибкими анкерами: Расчет и конструирование железобетонных конструкций / Н. И. Катин, Б. А. Шитиков. — М.: Стройиздат, 1972. — С. 62
- Шорохов, Г. Г. Анализ работы стыков на закладных деталях при сдвиге панелей: Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий // Труды ЦНИИСК / Г. Г. Шорохов. — М.: Стройиздат, 1967. — С. 119–125.
- Standard specification for Highway Bridges (AASHO). Washington, 1977, — 496pp.
- Гудковский, В.А., Пастушков Г. П. К расчету прочности и деформативности армированных контактов изгибаемых сборно-монолитных конструкций, работающих в условиях однократных статических загружений / В. А. Гудковский, Г. П. Пастушков. — Минск: Строительные конструкции, 1983. — С.143–149.
