Материал: 2323
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Рис. 4. Выходные участки водопропускных труб круглого и арочного сечения |
|
Для применяемых форм поперечных сечений сооружений, неоднократно проверенных на |
|
строительстве, установлены рациональные соотношения толщины листов и размеров профиля |
|
волнистого металла. |
|
Проведёнными в США в 2006 году обследованиями было установлено следующее: |
|
водопропускные трубы из гофрированного металла с добавками меди, имеющие цинковое покрытие, |
|
вполне надёжны. При благоприятных местных гидрогеологических условиях и соблюдении основных |
|
правил изготовления и монтажа они могут успешно эксплуатироваться 50-60 лет и более. |
|
Заключение |
|
Анализируя исторически зафиксированные факты, мы убедились в надёжности |
|
металлических гофрированных конструкций. Но почему водопропускные трубы в нашем случае |
|
(рисунок 3) деформировались и разрушили земляное полотно? Ответ на этот вопрос не лежит на |
|
поверхности, а требует тщательного изучения всех факторов: гидрологических, гидравлических, |
|
механических. Субъективный фактор пренебрежения «Рекомендациями…» [4, 5] тоже исключать |
|
нельзя. Будем над этим работать. |
90 |
Библиографический список
1. Википедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:// ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения
02.11.2016).
2. Колоколов, Н.М. Металлические гофрированные трубы под насыпями / Н.М. Колоколов, О.А. Янковский, К.Б. Щербина, С.Э. Черняховская. – М.: Транспорт, 1973. – 120 с.
3.Опыт применения гофрированных металлических устройств в водопропускных сооружениях различного назначения / Р.И. Карпенко, О.Н. Черных, В.И. Алтунин, А.В. Алтунина, А.М. Аграновская. // Вопросы мелиорации – М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоинформ», 2007. – № 3. – С. 54-61.
4.ОДМ 218.2.001-2009. Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учётом региональных условий (дорожно-климатических зон) [Электронный ресурс]. – Введ. 2009-21-07 //кодекс Право / ЗАО «Информационная компания» «Кодекс»». – СПб, 2010.
5.ВСН 176-78. Инструкция по проектированию и постройке металлических гофрированных водопропускных труб. [Электронный ресурс]. – Введ. 1978-15-08 // Режим доступа: http://files.stroyinf.ru/Data1/5/5515/, свободный.
CORRUGATED METAL PIPE CULVERTS. HISTORICAL OVERVIEW
E.E. Kudryashova, V.V. Marushak, T.P. Troyan
Abstract. The article is a historical overview of the appearance in transport construction of metal corrugated pipe. Traces the experience of application of metal tubes and corrugated metal in the construction of railways. Presents the results of a survey of culverts in various years for over a hundred years. The main defects in structures and anticipated their causes. Considered foreign experience use corrugated metal pipes as a culvert on the roads.
Keywords: metal corrugated pipe, culverts, automobile road.
Кудряшова Елена Евгеньевна (Россия, Омск) – студентка ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск,
пр Мира, 5, e-mail: ekudryashova1998@gmail.com).
|
|
Техника и технологии строительства, № 4 (8), 2016 |
http://ttc.sibadi.org/ |
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Марущак Валерий Валентинович (Россия, г. Омск) – студент ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск,
пр Мира, 5, e-mail: marushak1990@bk.ru).
Троян Тамара Петровна (Россия, г. Омск)– доцент кафедры Проектирование дорог ФГБОУ ВО «СибАДИ»
(644080, г. Омск, пр Мира, 5; e-mail: tamara_troyan@mail.ru).
Kudryashova Elena Evgenyevna (Russian Federation, Omsk) – student, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: i.koks88@yandex.ru).
Marushchak Valeriy Valentinovich (Russian Federation, Omsk) – student, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: marushak1990@bk.ru).
Troyan Tamara Petrovna (Omsk, Russian Federation) – Ass. Professor, Department of Design of roads, FSBEI HE «SibADI» (644080, Omsk, Mira Ave., 5; e-mail: ekudryashova1998@gmail.com).
УДК 69.07
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СЖАТОЙ БЕТОННОЙ ПРИЗМЫ УСИЛЕННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЙМОЙ
М.В. Мосин, А.А. Александров, Е.В. Тишков
ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск
Аннотация. В статье приведен механизм разрушения железобетонных колонн на |
|
||
примере бетонных призм. Предложена конструкция усиления призм обжатием на |
|
||
основании характера разрушения призм. Проведен численный эксперимент и приведены |
|
||
результаты численного моделирования напряженного трехосного состояния бетонной |
91 |
||
призмы обжатой металлической обоймой. Произведена |
оптимизация параметров |
||
конструкции обоймы для конкретных размеров бетонной призмы. |
|
||
|
|||
Ключевые слова: усиление колонн, трехосное сжатие, эффект обоймы, |
|
||
железобетонные колонны, ЛИРА САПР. |
|
|
|
Введение |
|
|
|
В практике строительства и реконструкции объектов часто возникает необходимость |
|
||
увеличения несущей способности железобетонных колонн [1, 5]. Известен ряд способов усиления |
|
||
колонн, в том числе за счет устройства различных обойм (железобетонных, стальных и т.п.). |
|
||
Применение обойм позволяет повысить предельную эксплуатационную нагрузку на колонны за |
|
||
счет: непосредственного включения в работу на восприятие вертикальных нагрузок; снижения |
|
||
поперечных растягивающих деформаций в сечениях усиливаемых колонн; увеличения |
|
||
жесткости и устойчивости колонн. Однако необходимая для проектирования методика по |
|
||
выбору вида обойм и расчету конструктивных элементов усиления отсутствует. Остается не |
|
||
изученной эффективность включения обойм в работу при отсутствии и наличии |
|
||
предварительного поперечного обжатия [4]. |
|
|
|
Трехмерное численное моделирование усиления бетонной призмы |
|
||
Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) сжатых бетонных элементов в |
|
||
условиях стесненных поперечных деформаций в упругой стадии НДС. При этом исследования |
|
||
выполнялись для случая «балластных» обойм, т.е. включение обойм усиленияна восприятие части |
|
||
вертикальной нагрузки на колонну не учитывалось. Цель работы заключалась в выявлении |
|
||
механизма взаимодействия системы «колонна – обойма» и оценке эффективности усиления в |
|
||
зависимости от параметров поперечных связей (шага хомутов и их сечения). |
|
||
Классическая схема разрушения бетонной призмы при действии осевого усилия |
|
||
заключается в возникновении поперечных растягивающих деформаций и как следствие |
|
||
растягивающих напряжений в бетоне, что приводит к появлению вертикально ориентированных |
|
||
трещин, нарушению целостности элемента и его обрушению [3]. Следовательно, требуется |
|
||
|
|
|
|
Техника и технологии строительства, № 4 (8), 2016 |
http://ttc.sibadi.org/ |
|
|
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
ограничить или устранить поперечные деформации бетонного элемента, для увеличения его несущей способности.
Возможность практической реализации такого подхода к усилению представляет собой применения стальной обоймы (рисунок 1), состоящей из продольных уголков (устанавливаемых на ребрах колонны) и объединенных между собой поперечными связями (планками или стержнями). Наличие поперечных связей позволяет частично сдерживать поперечные деформации, а продольные уголки ограничивают эти деформации на участках между связями.
92
Рис. 1. Конструкция усиления колонны стальной обоймой
Для оценки эффекта усиления выполнен ряд теоретических расчетов. Расчетная модель представляет собой бетонную призму 10х10х60см. Характеристики бетона приняты как для бетона класса В15 при твердении в нормальных условиях. Коэффициент Пуассона– 0,2. Элементы усиления представляют собой стальные поперечные тяжи (сдерживающие поперечные деформации бетона), взаимодействующие с бетонной призмой посредством продольных стальных равнополочных уголков сечением 20х3мм, предназначенных для распределения усилия в тяжах по высоте образца. Конструкция колонны с обоймой, приведена на рисунке 1.
Расчеты моделей выполнялись по программе Лира-САПР 2013 реализующей метод конечных элементов в перемещениях.Нагрузка принята сжимающей равномерно распределенной по торцевым граням и действующей по направлению оси бетонного образца. Нагрузка прикладывалась только к бетонной части модели, без приложения нагрузки на уголки обоймы [3].
Ввиду симметрии колонны в расчетной схеме смоделирована четверть призмы, ограниченная плоскостями симметрии, а узлы, совпадающие с плоскостью симметрии, закреплены от горизонтальных перемещений. При моделировании были использованы объемные конечные элементы с размерами 1,25х1,25х1см. Узлы, расположенные на плоскости симметрии параллельной плоскости ZOX закреплены от перемещений вдоль оси Y, а узлы, расположенные на плоскости симметрии параллельной плоскости ZOY – вдоль оси X. Вертикальная связь между уголком обоймы и призмой отсутствует, тем самым в модели реализовано отсутствие сил трения в месте контакта уголка к ребру призмы [5].
В рамках исследования оценивались величины напряжений и деформаций в объемных бетонных элементах и стальных элементах усиления. В процессе анализа полученных данных производилось определение эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных характерных
объемных конечных элементах бетонной призмы (в уровне тяжей – σmax и между ними – σmin). Распределение напряжений в конечных элементах бетонного элемента отображены на рисунке 2.
|
|
Техника и технологии строительства, № 4 (8), 2016 |
http://ttc.sibadi.org/ |
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
|
Вычисление эквивалентных напряжений производилось по теории Гениева [2]: |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 3(1 − ) 0 + |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э |
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
эквивалентное напряжение при растяжении; |
|
|
|
|||||||||
где, Э––среднее напряжение; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
, |
− |
– коэффициенты. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
интенсивность напряжений; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Коэффициенты определяются по формулам: |
= 1 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= ; |
|
|
|
|
||||
где |
, |
– предельные напряжения растяжения и сжатия. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Среднее напряжение определяется по формуле: |
|
|
|
||||||||||||
|
1 |
, 2, |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
– главные напряжения. |
0 = 1 |
+ 32 + 3 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Интенсивность напряжений определяется по формуле: |
− 1)2 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
( 1 |
− 2)2 + ( 2 |
− 3)2 + ( 3 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Расчеты выполнялись применительно к трем варьируемым параметрам системы: |
|||||||||||||||
|
- изменение шага тяжей (см. таблицу 1); |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
- изменение диаметров тяжей (см. таблицу 2); |
|
|
|
93 |
|||||||||||
|
- изменение параметров уголков обоймы (см. таблицу 3). |
|
||||||||||||||
|
По |
|
результатам серии |
сравнительных |
расчетов получены значения |
экстремальных |
|
|||||||||
|
|
|
||||||||||||||
эквивалентных напряжений, горизонтальных и вертикальных перемещений, а также усилий в тяжах металлической обоймы.
Для проверки предельного эффекта усиления призмы производился расчет в состоянии поперечного обжатия по углам призмы вдоль всей длины. Для моделирования этой ситуации произведено закрепление угловых узлов от горизонтальных перемещений вдоль осей X и Y.
Сравнение напряженно-деформативных нагрузок конструкции отображены в таблице 1.
Таблица 1 – Усилия и перемещения в образцах в зависимости от шага тяжей
|
Эквивалентные |
|
Относительные деформации, ε∙105 |
Усилие |
||||
|
|
в тяжах |
||||||
Шаг |
напряжения |
|
|
|
|
|||
|
бетона между |
удлинения |
вертикальные |
|
||||
тяжей, см |
|
|
|
|
N, кгс |
|||
|
σmax, |
2 |
σmin, |
2 |
тяжами, εb |
тяжей, εt |
образца, εz |
|
|
кгс/см |
|
кгс/см |
|
|
|
|
|
0 (обойма |
|
|
|
|
|
|
|
|
по всей |
-25,6 |
|
-75,3 |
|
6,94 |
- |
-36,3 |
- |
высоте) |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
-22,1 |
|
-66,1 |
|
7,16 |
1,57 |
-36,7 |
103,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
-18,1 |
|
-64,1 |
|
7,40 |
1,78 |
-37,0 |
118,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
-12,7 |
|
-64,3 |
|
7,86 |
1,72 |
-37,2 |
112,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
-13,1 |
|
-64,2 |
|
7,88 |
1,72 |
-37,2 |
111,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Без тяжей |
-14,0 |
|
-63,0 |
|
7,62 |
- |
-37,3 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из результатов расчета видно: эффект от усиления проявляется при шаге тяжей примерно равного сечению образца. В данном напряженном состоянии прослеживается понижение
эквивалентных напряжений в образце. Деформации призмы в направлении ортогональном |
|
Техника и технологии строительства, № 4 (8), 2016 |
http://ttc.sibadi.org/ |
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА
приложению нагрузки значительно ниже, чем в образце без обоймы. Из таблицы также можно увидеть, что значительные перемещения вызваны растяжением тяжей, и составляет порядка 25% от общей горизонтальной деформации.
|
ЛИТЕРА |
|
Загружение1 |
Загружение1 |
Изополя эквивалентных напряжений NE18 |
Изополя перемещений по Y(G) |
Средний слой |
Единицы измерения - мм |
Единицы измерения - кг/см**2 |
|
|
-18.1
0
-23.9
-3.69e-005 |
-0.000461 |
-29.6 |
|
-0.000923 |
-35.4 |
-0.00138 |
-41.1 |
|
-0.00185 |
-46.9 |
-0.00231 |
-52.6 |
-0.00277 |
-58.3 |
-0.00323 |
94
-0.0037 |
-64.1 |
|
ZYX |
||
ZYX |
Рис. 2. Изополя горизонтальных перемещений и эквивалентных напряжений в бетонном образце усиленном стальной обоймой
Для полноты исследования принято решение, сравнить тяжи с различными жесткостями. В сравнительных сериях расчетов определяются эквивалентные напряжения, и деформационные характеристики образца и обоймы. Результаты расчетов образца приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Сравнение эквивалентных напряжений и деформационных характеристик образцов
Характеристики |
Эквивалентные |
Относительные деформации, ε∙105 |
Усилие в |
||||||
тяжей |
напряжения |
|
|
|
|
тяжах |
|||
Диаметр, |
Площадь |
εmax, |
|
εmin, |
|
бетона |
удлинения |
вертикальные |
|
сечения, |
2 |
2 |
между |
N, кгс |
|||||
см |
см2 |
кгс/см |
|
кгс/см |
|
тяжами, εb1 |
тяжей, εt |
образца, εz |
|
0,5 |
0,2 |
-15 |
|
-63,4 |
|
7,58 |
5,07 |
-37,33 |
20,5 |
1 |
0,79 |
-17 |
|
-64,1 |
|
7,5 |
3,71 |
-37,17 |
60 |
1,5 |
1,77 |
-17,5 |
|
-63,5 |
|
7,44 |
2,56 |
-37,00 |
93 |
2 |
3,14 |
-18,1 |
|
-64,1 |
|
7,4 |
1,78 |
-37,00 |
114,7 |
2,5 |
4,91 |
-18,5 |
|
-65,3 |
|
7,36 |
1,23 |
-37,00 |
128 |
3 |
7,07 |
-18,7 |
|
-66,9 |
|
7,34 |
0,92 |
-36,83 |
135,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,5 |
9,62 |
-18,8 |
|
-69 |
|
7,32 |
0,71 |
-36,83 |
140 |
4 |
12,56 |
-18,9 |
|
-70,4 |
|
7,32 |
0,56 |
-36,83 |
142 |
Из таблицы 2 видно, что при увеличении диаметра тяжей, уменьшаются их деформации и
увеличиваются усилия в них. Увеличение усилий в тяжах свидетельствует о более |
|
Техника и технологии строительства, № 4 (8), 2016 |
http://ttc.sibadi.org/ |