Разработка метода виртуального арматурного каркаса для расчетов железобетонных конструкций гидротехнических сооружений

При выполнении расчетов прочности железобетонных конструкций ГТС в виде системы «сооружение-основание» возникает проблема решения задачи в условиях объемного моделирования конструкции. Основные факторы, определяющие эту проблему:
1. Переход от напряженного состояния объемного тела к силовым факторам для оценки прочности по существующим методам нормативных документов.
2. Достоверность получения результатов по этим методам, так их подход либо исходит из предпосылки простого напряженного состояния, либо сильно упрощен в угоду возможности оценки.
3. Учет перераспределения усилий в конструкции в виду ее нелинейного поведения (образование трещин) в условиях работы в системе «сооружение-основание».
4. В случае моделирования совместной работы бетона и арматуры, так же возникает вопрос достоверности получаемых результатов, в виду новизны подхода и отсутствия оценки рисков по его применению.
Ключевой проблемой можно назвать отсутствие программных комплексов способных выполнять комплексную оценку прочности железобетонных конструкций в объемной (твердотельной) постановке по нормам РФ в области гидротехнического строительства.
ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМАТИКИ

ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ
CivilFEM for ANSYS (метод эквивалентных оболочек)
В основе подхода – создание конечно элементной оболочки внутри объемного тела. Толщина оболочки и напряженное состояние определяются по траекториям проходящим через центры конечных элементов. Направления траекторий определяют по нормали к поверхности оболочки.
BIM for ANSYS (метод поверхностей армирования)
В основе подхода – создание конечно элементной оболочки на поверхности объемного тела. Толщина оболочки и напряженное состояние определяются по траекториям проходящим через центры конечных элементов. Направления траекторий определяют по локальной системе координат (ЛСК).

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К РЕАЛИЗАЦИИ НОВОГО ПОДХОДА
Создание более универсального принципа описания поверхности армирования. Отход от принципа отображения результатов расчета на конечных элементах оболочек.
Увеличение функциональных возможностей, особенно в контексте прозрачности выполнения расчета и оценки его результатов.
Создание принципов перехода от расчета массивных железобетонных тел по сечениям к нелинейному моделированию с дискретной расстановкой арматурных стержней
Использование платформы ANSYS Workbench.
Создание идеологии при которой, методы расчета сечений добавляются как модули (модульность программы).
Максимальное удобство для верификации и правок программы.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ВИРТУАЛЬНОГО АРМАТУРНОГО КАРКАСА
(VIRTUAL REBARS METHOD)
BEM for ANSYS (метод виртуального арматурного каркаса)
В основе подхода – создание виртуального арматурного каркаса (сетки) с использованием в качестве основы поверхности объемного тела. Толщины сечений и напряженное состояние определяются по траекториям проходящим через узлы пересечения виртуальных арматурных стержней. Направления траекторий определяют по нормали к исходной поверхности или по ЛСК.
Метод интегрирован в среду Ansys Workbench и реализован через расширение .wbex.

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА
Управление осуществляется с помощью следующих элементов интерфейса:
Панель инструментов
Дерево проекта
Окно свойств
Контекстное меню
2
1
3
4

СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО АРМАТУРНОГО КАРКАСА
Создание виртуального арматурного каркаса состоит из следующих этапов:
Составление структуры сооружения в дереве проекта, с выделением отдельных конструкций и их фрагментов.
Для выделенного фрагмента (объемного тела) указывается поверхность.
Программа предлагает предварительную арматурную сетку. При необходимости, производится ее настройка и корректировка в интерактивном режиме.
На последнем этапе производится построение сетки, в ходе которого программа определяет траектории для каждого узла сетки и определят расчетную толщину сечения.

РАСЧЕТ УСИЛИЙ

НАСТРОЙКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ АРМИРОВАНИЯ
После выполнения расчетов НДС и определения силовых факторов в узлах виртуальной арматурной сетки, появляется возможность выполнить расчет армирования.
Настройки расчета армирования позволяют учитывать особенности нормативных документов, методы расчетов сечений, группы предельных состояний, потенциальное давление воды на напорной грани и пр.
Нормативные документы:
СП 41.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»;
СП 52-103-2007 «Железобетонные монолитные конструкции зданий».
Методы расчета прочности нормального сечения:
предельного равновесия;
плоского поворота сечения (расчет на диаграмму деформирования);
расчет по напряжениям.
Группы предельных состояний:
расчет по прочности сечения;
расчет по образованию и на раскрытие трещин.

ОСОБЕННОСТИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
Напряжения
Усилия
Интенсивность армирования
С помощью метода виртуального арматурного каркаса можно отображать на арматурных стержнях результаты расчета НДС, пересчитанные на плоскость силовые факторы (силы и моменты), а также результаты расчета армирования (погонная площадь сечения, диаметр, ширина раскрытия трещин).

ОСОБЕННОСТИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эффективным инструментом для верификации является протокол расчета. Он позволяет подробно оценить результаты и оформить отчетную документацию с уровнем детальности ручного расчета.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА
На основании расчетов выполненных при линейно-упругой постановке работы ж/б может быть составлена конструктивная схема армирования.
Переход от линейно-упругого тела ж/б элемента с виртуальным арматурным каркасам к физически нелинейному с дискретным расположением арматурных стержней выполняется автоматически.
Расчет армирования с помощью виртуального арматурного каркаса может быть выполнен на основании этой нелинейной модели совместной работы бетона и дискретного армирования. При этом, в отличии от расчетов с использованием линейно-упругих свойств бетона, усилия определяются как сумма двух компонент: напряжений в бетоне и арматуре.
Таким образом, достигается взаимосвязь между расчетами и моделированием поведения железо-бетона на одной модели сооружения или конструкции.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Водоприемник ГЭС

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Гидротехнические конструкции АЭС

НАМЕЧЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МЕТОДА
В связи с накопленным практическим опытом использования метода, намечены дальнейшие пути развития:
добавление технологии перехода от напряженного состояния объемного тела к эквивалентной балочной схеме;
добавление технологии расчета по наклонным сечениям;
получение практических результатов и развитие в направлении расчетов с учетом физической нелинейности материалов и дискретного расположения стержней армирования;
создание объекта «область армирования» для возможности более гибкого учета результатов расчета;
расширение списка нормативных документов;
дальнейшее совершенствование подходов к созданию арматурного каркаса и форм вывода результатов расчета.