Материал: Строительная механика и конструкции. Сафронов В.С., Козлов А

УДК 624.012.35:699.814.3

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОЖАРЕ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ANSYS MECHANICAL

С. В. Ефрюшин1, В. В. Юрьев2 Воронежский государственный технический университет1,2

Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доцент кафедры строительной механики 2Магистрант кафедры строительной механики

Приводятся результаты математического моделирования поведения железобетонных плит при испытаниях на огнестойкость по режиму стандартного пожара. Целью работы является создание и апробация методики расчета огнестойкости железобетонных конструкций в ПК ANSYS MECHANICAL. В модельной задаче расчёта железобетонных шарнирно-опёртых по двум сторонам плит определяются критическая температура нагрева конструкции, время до потери несущей способности, деформации, напряжения и прогибы.

Осуществлено сравнение экспериментальных данных с расчетным моделированием. Анализ результатов позволяет провести обоснование применимости ПК ANSYS MECHANICAL для решения задач огнестойкости железобетонных конструкций.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, стандартный пожар, критическая температура, предел огнестойкости, программный комплекс ANSYS.

Строительная отрасль предъявляет высокие требования к надежности зданий и сооружений в чрезвычайных ситуациях. В настоящее время основным способом определения фактических пределов огнестойкости конструкций являются их испытания в лабораторных условиях. Существующие программные комплексы позволяют в ряде случаев заменить дорогостоящие испытания математическим моделированием, которое осуществляется на основе метода конечных элементов и позволяет получить адекватную информацию о напряженно-деформированном состоянии конструкции. В статье анализируются результаты расчета несущей способности железобетонных плит под воздействием внешней нагрузки и температуры.

Описание расчетных моделей. В качестве исходных данных для моделирования огнестойкости железобетонных плит приняты результаты проведенных в НИИЖБ испытаний [1]. Рассматриваются две шарнирно-опёртые по краям железобетонные плиты П-

распределительная арматура 19 6 класса А − III.

Защитный слой рабочей арматуры для П-1 - 18 мм, для П-2 – 21 мм. Конструкции загружаются равномерно – распределенной нагрузкой q с интенсивностью равной 10 кН/м для П-1, 22 кН/м для П-2 (рис. 1). На нижнюю грань образцов приложена температурная нагрузка Q согласно режиму стандартного пожара [1].

Рис. 1. Расчетные схемы плит

_______________________________

© Ефрюшин С. В., Юрьев В. В., 2020

80

Моделирование осуществлялось с помощью метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в программе ANSYS [2, 3]. Для теплотехнического расчета использовались следующие типы конечных элементов: SOLID70 – для моделирования керамзитобетона, LINK33 – для армирующих элементов. При проведении статического расчета конечные элементы заменялись на SOLID185, LINK180 соответственно. Общий вид расчетной схемы П-1 в ПК ANSYS представлена на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид расчетной схемы П-1 в ПК ANSYS

Методика расчета. Расчет производился в ПК ANSYS MECHANICAL с применением команд на языке программирования APDL. Анализ проводится по результатам решения двух типов задач. Первой решается термодинамическая задача, результатом которой является распределение температур в плите как функция от времени. Полученные данные являются исходными для решения статической задачи. Результатом расчета двух задач является нахождение зависимости напряженно-деформированного состояния конструкций от температур. При моделировании учтено изменение физико-механических свойств материалов от воздействия температуры [4-7]. Наступлением предельного состояния считалось появление пластического шарнира в рабочей арматуре, когда напряжения от нагрузки достигают уровня расчетного сопротивления. Расчет производится в физически и геометрически нелинейной постановке.

Анализ результатов. Решение термодинамической задачи для плит П-1 и П-2 представлено на рис 3. Результатом является график зависимости температуры нижней, верхней граней плит и рабочей арматуры от времени при режиме стандартного пожара. На рис. 4, 5 приведено распределение температур в плитах после 80 минут огневых испытаний. Полученные в ходе расчета данные с достаточной точностью соответствуют опытным и могут быть приняты в качестве исходных для статического расчета.

При решении статической задачи определялись следующие параметры напряженнодеформированного состояния плит:

-максимальные прогибы от совместного воздействия эксплуатационной и температурной нагрузки;

-деформации сжатой зоны бетона, %;

-продольные деформации арматуры, %;

-эквивалентные напряжения в арматуре по Мизесу, МПа.

81

Рис. 3. Результаты термодинамического расчета

Рис. 4. Распределение температур по высоте сечения после 80 минут температурного воздействия для П-1

Рис. 5. Распределение температур в рабочей арматуре после 80 минут температурного воздействия для П-1

Результаты статического расчета сведены в табл. 1, 2 для плит П-1, П-2 соответственно. На рис. 6 представлены результаты расчеты НДС плиты П-1 при достижении арматурой критической температуры. Полученные различия опытных и расчетных результатов связаны с чувствительностью схемы к значению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), который различается в источниках [1, 7].

82

а)

б)

в)

г)

Рис. 6 (начало). Результаты расчеты НДС плиты П-1 при достижении арматурой критической температуры:

а) прогиб плиты, б) прогиб арматуры, в) деформации бетона, г) деформации арматуры

83

д)

Рис. 6 (окончание). Результаты расчеты НДС плиты П-1 при достижении арматурой критической температуры:

а) прогиб плиты, б) прогиб арматуры, в) деформации бетона, г) деформации арматуры, д) напряжения в арматуре

Таблица 1

Результаты статического расчета П-1

Таблица 2

Результаты статического расчета П-2

84