Центр Компьютерного Инжиниринга "Нумерика"
ПОВЕРОЧНЫЙ ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ДНИЩЕВЫХ ПЛИТ СУХОГО ДОКА
Специалисты ООО «ЦКИ «Нумерика» и НИЦ «Гидротекс» выполнили работы по численному моделированию и оценке прочности конструкций днища сухого дока. Работы выполнены в рамках научно-технического сопровождения проектирования объекта и прошли оценку Главгосэкспертизы, получено положительное заключение.
Дата: январь 2019 г.
Введение
Сухой док – гидротехническое сооружение, предназначенное для строительства, ремонта и обслуживания плавсредств. Внешне представляет собой бассейн, отделённый от акватории затвором (батопортом), с возможностью откачки заполнения водой.
При разработке проектной документации сторонней организацией были выполнены прочностные расчеты конструкций дока при действии проектных нагрузок.
При разработке проектной документации сторонней организацией были выполнены прочностные расчеты конструкций дока при действии проектных нагрузок.
Целью расчетных исследований, выполненных специалистами ООО «ЦКИ «Нумерика», является анализ проектных решений и оценка прочности конструкций сухого дока путем выполнения альтернативных поверочных расчетов в рамках программы научно-технического сопровождения проектирования.
В данном расчетном исследовании производилась постановка задачи, разработка и верификация пространственных конечно-элементных моделей, унификация нагрузок, расчётная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) проектного варианта плит днища сухого дока при действии нагрузок и воздействий от перспективных типов судов и оценка несущей способности сооружения по первой (прочность) и второй (перемещения, трещиностойкость) группам предельных состояний. Также произведен расчет напряжений в арматуре плит.
Расчеты выполнены в программных комплексах конечно-элементного анализа ANSYS Mechanical и PLAXIS 3D.
В данном расчетном исследовании производилась постановка задачи, разработка и верификация пространственных конечно-элементных моделей, унификация нагрузок, расчётная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) проектного варианта плит днища сухого дока при действии нагрузок и воздействий от перспективных типов судов и оценка несущей способности сооружения по первой (прочность) и второй (перемещения, трещиностойкость) группам предельных состояний. Также произведен расчет напряжений в арматуре плит.
Расчеты выполнены в программных комплексах конечно-элементного анализа ANSYS Mechanical и PLAXIS 3D.
Описание разработанной численной модели
На основании проектной документации были построены объемно-стержневая геометрическая и конечно-элементная модели трёх смежных секций днища сухого дока. Секции состоят из плит тяжелой зоны толщиной 2,2 м, плит легкой зоны толщиной 1,2 м, а также буронабивных свай диаметром 1,02 м. Рассматривалось 6 расчетных случаев при различном положении судна в доке.
При дискретизации плит использовались тетраэдрические четырехузловые конечные элементы типа SOLID65, основанные на составной модели трехосного поведения бетона, разработанной К.Д. Вильямом и Е.П. Варнке [5]. Данный элемент позволяет учитывать ползучесть, растрескивание материала при растяжении и дробление при сжатии, что позволяет его использовать при моделировании бетонных и железобетонных конструкций.
Конечный элемент SOLID65
В элементе учитывается трещинообразование при растяжении, и разрушения бетона при сжатии. Проверка трещинообразования и разрушения выполняется в 4 узлах каждого элемента. Трещинообразование или разрушение элемента происходят тогда, когда одно из главных напряжений в одном из узлов превысит прочность бетона на растяжение или сжатие.
Фрагмент конечноэлементной модели
Армирование учитывалось с помощью специальной опции конечных элементов, позволяющей увеличивать жесткость материала вдоль каждой из локальных осей. Матрица деформаций-напряжений элемента SOLID65 определяется выражением
где Nr – количество армирующих элементов;
VRi – коэффициент армирования, отношение объема i-го армирующего материала к полному объему конечного элемента, д. е;
[DC ] – матрица напряжений-деформаций для бетона;
[Dr ]i – матрица напряжений-деформаций для i-го армирующего элемента.
Для учета связи между стержневыми элементами свай и объемными элементами плит в зоне контакта вводились конечные элементы MPC184.
VRi – коэффициент армирования, отношение объема i-го армирующего материала к полному объему конечного элемента, д. е;
[DC ] – матрица напряжений-деформаций для бетона;
[Dr ]i – матрица напряжений-деформаций для i-го армирующего элемента.
Для учета связи между стержневыми элементами свай и объемными элементами плит в зоне контакта вводились конечные элементы MPC184.
Расчет выполнялся нелинейной постановке. Для учета нелинейных свойств бетона применялась модель железобетона Concrete Plasticity, которая используется совместно с конечным элементом типа SOLID65.
При растяжении отказ определяется критерием максимальных растягивающих напряжений. Вследствие этого формируются зоны трещинообразования или разрушения, перпендикулярно к направлению соответствующего главного напряжения. В дальнейшем напряжения локально перераспределяются, происходит релаксация напряжений. Поведение бетона при растяжении считается упругим до момента разрушения. Зависимость «напряжения-деформации» при растяжении бетона описывается кусочно-линейной диаграммой.
При растяжении отказ определяется критерием максимальных растягивающих напряжений. Вследствие этого формируются зоны трещинообразования или разрушения, перпендикулярно к направлению соответствующего главного напряжения. В дальнейшем напряжения локально перераспределяются, происходит релаксация напряжений. Поведение бетона при растяжении считается упругим до момента разрушения. Зависимость «напряжения-деформации» при растяжении бетона описывается кусочно-линейной диаграммой.
Диаграмма деформирования бетона при растяжении
Rt – прочность бетона при растяжении
Tc – коэффициент релаксации растягивающих напряжений
Для описания поведения материала при сжатии использовались нелинейные диаграммы деформирования бетона, определяемые зависимостью, представленной Н.И. Карпенко [2]. Данные зависимости также представлены в приложении Г СП 63.13330.2018 [3].
Общее количество конечных элементов в модели – 7 208 163.
Общее количество конечных элементов в модели – 7 208 163.
Общее количество узлов конечных элементов – 1 534 207.
Криволинейные диаграммы деформирования бетона Н.И. Карпенко [2, 3]
Результаты расчета
В результате расчета были вычислены перемещения и усилия в железобетонных конструкциях днища сухого дока. Рассчитанные значения перемещений и продольных усилий в сваях близки к результатам, полученным сторонней организацией в предварительных расчетах. Максимальное расчётное продольное усилие в свае составляет 10446 кН, что не превышает максимальное расчётное значение, полученное из результатов полевых испытаний статической нагрузкой.
Разница в величинах изгибающих моментов в БНС достигает 74,02%.Также наблюдается большая разница между напряжениями в арматуре. Максимальное значение растягивающего напряжения в арматуре составляет 233,17 МПа, сжимающего – 177,54 МПа.
Разница в величинах изгибающих моментов в БНС достигает 74,02%.Также наблюдается большая разница между напряжениями в арматуре. Максимальное значение растягивающего напряжения в арматуре составляет 233,17 МПа, сжимающего – 177,54 МПа.
Отличие результатов расчета ЦКИ «Нумерика»от расчетов, выполненных сторонней организацией, обусловлено множеством факторов. Разработанная численная модель является более детализированной с точки зрения размеров расчетной сетки, а также применяемого типа конечных элементов (объемные элементы SOLID65). Также в расчетной модели учитывалась пластичность, трещинообразование и релаксация напряжений Подобные нелинейные эффекты могут значительно влиять на перераспределение напряжений в железобетонных плитах. Более того, учёт жесткости арматурных стержней выполнен до расчета, а не на стадии анализа результатов. Таким образом напряженно-деформированное состояние модели получено с учетом совместной работы «размазанной» арматуры и бетона.
Тем не менее, оценка несущей способности конструкций днища с полученными величинами перемещений и усилий показала, что прочность конструкции днища сухого дока при принятой компоновке буронабивных свай и принятом армировании обеспечена.
Тем не менее, оценка несущей способности конструкций днища с полученными величинами перемещений и усилий показала, что прочность конструкции днища сухого дока при принятой компоновке буронабивных свай и принятом армировании обеспечена.
Заключение
В данной работе был выполнен поверочный прочностной расчет конструкций днища сухого дока. В результате расчета определено, что несущая способность конструкций обеспечивается при всех рассмотренных расчетных случаях. Результаты данного расчета местами отличаются от результатов альтернативного расчета, выполненного сторонней организацией, в неблагоприятную сторону, что связано с более подробным описанием модели в части топологии, характеристик материалов и степени дискретизации.
Список источников
1. K.J. Willam and E. D. Warnke. "Constitutive Model for the Triaxial Behavior of Concrete". Proceedings, International Association for Bridge and Structural Engineering. Vol. 19. ISMES. Bergamo, Italy. p. 174. 1975.
2. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. – 416 с.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции
2. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. – 416 с.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции
ООО "ЦКИ "Нумерика" 2023 — ... ©
cae-numerica@yandex.ru
Пн—Вс: 10:00—21:00
г. Владивосток
*Проект создан при поддержке Фонда Содействия Инновациям