Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Исследование механики разрушения композитов трехслойного поперечного сечения методом численного моделирования

В качестве объектов проведения численных экспериментов рассматривались трехслойные стеновые панели, приведенные на схеме (рис. 3.12).

Заполнителем бетона панелей является керамзит, имеющий макропористую структуру.

Внешние слои выполнены с полным заполнением матрицей промежутков между склеенными зернами керамзита, а внутренний слой образован склеенными зернами керамзита без заполнения пустот между ними.

Торцовые (опорные) поверхности панелей образуются путем полной пропитки каркаса матрицей. Они предназначены для обеспечения условий опирания на них вышерасположенных панелей и обеспечения условий равномерной передачи нагрузки от них в соответствии с конструктивной схемой сооружения, панелей и плит перекрытия. Панели могут использоваться как самонесущие, так и несущие с опиранием на них плит перекрытий с одной или двух сторон.

С целью оптимизации конструкции стеновых панелей при проведении численных экспериментов варьировались основные геометрические параметры. При формировании модели зерна включения поверхность взаимодействия с окружающей средой представлена оболочкой, или областью раздела фаз. Оболочка включалась в состав зерна включения. Ее толщина принималась минимальной исходя из возможностей вычислительной техники. Оболочка зерна образует капсулу включения. Механические характеристики свойств оболочки (адгезионные взаимодействия) определены свойствами включений и матрицы. Матричный материал, окаймляющий капсулы включений и пустоты в каркас ном бетоне, образует дополнительную оболочку. Механические характеристики последней принимались в зависимости от характеристик матрицы. Толщина этих оболочек принималась также минимальной. Таким образом, механические взаимодействия между компонентами структуры слоев панели, определяющие характер разрушения (зерна включений, матрицы и пустот между зернами), определены в процессе численного моделирования свойствами оболочек. Параметры этих компонентов и подлежат варьированию при моделировании с целью получения результатов, соответствующих опытным данным. Формирование оболочек представлено на рис. 3.13.

Модели макропор в системе каркаса представлены включениями с механическими параметрами на два порядка меньше, чем для всех остальных компонентов структуры объекта. Любой макрообъект моделировался ядром, окруженным оболочкой 1 (капсулой). Матрица на границе с фазами включений образует оболочку 2. Компоненты структуры слоев объекта взаимодействуют друг с другом посредством оболочек.

Формирование пути разрушения в терминах перемещений и давления на границе приложения нагрузки осуществляется поэтапно. На каждом этапе определяется переходящий в предельное состояние фрагмент разрушения. Условие перехода фрагмента в пластическое состояние - достижение касательными напряжениями предельных значений. В качестве фрагмента разрушения рассматривается конечный элемент соответствующего компонента структуры. Размеры конечного элемента устанавливаются максимальным числом этапов фрагментации объекта моделирования на конечные элементы. При проведении численных экспериментов площадь конечного элемента, эквивалентная элементу квадратной формы, составляла 60 мм2, а сторона квадрата равнялась 7,8 мм. Следовательно, толщина оболочек принималась равной 7,8 мм, а эквивалентный размер включения - 23,4 мм. После каждого этапа пути разрушения наследуется структура предшествующего этапа. При этом фрагмент разрушения наделяется свойствами пластического течения. Деформации фрагмента разрушения определены деформациями окружающей среды, не потерявшей свойства квазиупругого деформирования.

По схеме, приведенной на рис. 3.14, а (при центральном нагружении), механические параметры матрицы и включений равны, а параметры оболочки 1 на 10% выше параметров включений, оболочки 2 - на 20% выше параметров матрицы. Площадка приложения нагрузки полностью повторяет поверхность торца панели. Анализ разрушения показывает, что развитие трещин зарождается под крайними точками площадки нагружения. Разрушение сопровождается пластическим течением структурных связей и приурочено к местам расположения оболочек. Панель деформируется бочкообразно.

На схеме, приведенной на рис. 3.14, б (при внецентренном нагружении; площадка нагружения, выделенная на схеме деформирования жирной линией, равна 10 см), разрушение зарождается в крупнопористом бетоне под торцевой поверхностью стеновой панели в среднем слое. Деформирование характерно для состояния потери устойчивости.

На рис. 3.15 показаны диаграммы нагрузки и модуля обратимой и полных деформаций.

Из графиков для случая 3.15, а следует, что секущий модуль необратимой деформации имеет порядок 300 кН/см2 при перемещении, равном 1 см, а из графиков для случая 3.15, б - что модуль обратимой деформации на пути разрушения имеет тенденцию незначительного падения.

Таким образом, принятые допущения формирования структуры бетона и моделирования структурных взаимодействий компонентов путем включения оболочек вокруг включений позволили осуществлять корректировку эффективных механических параметров компонентов объекта в соответствии с исходными данными путем варьирования параметров оболочек.

Для панели при равномерном нагружении ио торцу деформирование имеет бочкообразный характер. Разрушение зарождается под крайними точками площадки нагружения. Модуль необратимой деформации на пути разрушения имеет тенденцию снижения (при общей деформации 1 см до 350 кН/см2). Снижение модуля происходит после превышения нагрузки, соответствующей состоянию пиковой прочности при величине общей деформации 0,3 см. Дальнейшее развитие деформации характеризуется участком упрочнения.

Для трехслойной панели с внутренним слоем из крупнопористого керамзитобетона и внецентренным нагружением деформирование сопровождается односторонним выпучиванием. Область разрушения приурочена к среднему слою и развивается в направлении к краю площадки нагружения. Модуль необратимой деформации составляет 13,5 кН/см и имеет тенденцию к снижению на пути разрушения. После достижения пиковой прочности модуль обратимой деформации снижается на значительную величину.

Баженов Ю.М., Король Е.А., Ерофеев В.Т., Митина Е.А., Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности, М., АСВ, 2008

Экспертиза

на главную