Конечный элемент для расчета неоднородно-армированных сталефибробетонных балок

Разработана методика расчета и построения физически нелинейного конечного элемента балки многослойного армирования, позволяющего вычислять значения перемещений, деформаций и напряжений в характерном слое. Для установки действительного напряженно-деформированного состояния изгибаемых неоднородных дисперсно-армированных бетонных элементов проведено экспериментальное исследование сталефибробетонной балки с неравномерным по высоте сечения фибровым армированием (от 0,5 до 2,0 %). Определены деформации и перемещения балки в характерных точках, а также получены нормальные растягивающие и сжимающие напряжения. Полученные экспериментальные данные были использованы для верификации конечного элемента балки многослойного армирования. Разработанный конечный элемент балки основан на модифицированной теории расчета многослойных балок, предложенной П.М. Варваком. Модель многослойной балки учитывает искривление поперечного сечения при действии касательных напряжений за счет включения в функционал полной потенциальной энергии обобщенного компонента деформации сдвига. В дополнение к экспериментальным данным выполнены нелинейные расчеты многослойной балки в программном комплексе Ansys. Расхождение результатов расчета при использовании разработанного конечного элемента с экспериментальными данными составило от 6 до 11 %, а с результатами расчетов, полученных в Ansys, - от 11 до 15 %. Разработанный конечный элемент интегрирован в вычислительный комплекс ПРИНС, и в составе этой программы может быть использован для расчета неоднородных дисперсно-армированных элементов.

A method has been developed for calculating and constructing a physically nonlinear finite element of a multilayer reinforcement beam, which allows to calculate the values of displacements, strains and stresses in a characteristic layer. To establish the actual stress-strain state of bent heterogeneous fiber reinforced concrete elements, an experimental study of a steel-fiber-concrete beam with non-uniform fiber reinforcement along the cross-section height (from 0.5 to 2.0%) was carried out. Strains and displacements of the beam at characteristic points are determined, and normal tensile and compressive stresses are obtained. The experimental data obtained were used to verify the finite element of the multilayer reinforcement beam. The developed finite element of the beam was based on the modified theory of calculation of multilayer beams proposed by P.M. Varvak. The multilayer beam model takes into account the curvature of the cross section under the action of shear stresses by including the generalized component of shear strain in the functional of the total potential energy. In addition to the experimental data, nonlinear analysis of a multilayer beam was performed in the Ansys software package. The discrepancy between the calculation results using the developed finite element and the experimental data ranged from 6 to 11%, and from 11 to 15% with the calculation results obtained in Ansys. The developed finite element is integrated into the PRINCE computing complex, and as part of this program it can be used to calculate heterogeneous fiber-reinforced elements.