Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛУШПАЛЫ МЕТРОПОЛИТЕНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО БЕТОНА'

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛУШПАЛЫ МЕТРОПОЛИТЕНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО БЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
0
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
базальтовая фибра / высокопрочный бетон / метод конечных элементов / программный комплекс Ansys / полушпалы / basalt fiber / high-strength concrete / finite element method / Ansys software package / half-slush

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — А А. Байчорова, Д С. Ноздрин, Харун Махмуд

В этом исследовании рассмотрено моделирования работы композитного бетона методом конечных элементов (КЭ) и влияние добавления базальтовой фибры на физико-механические характеристики модели. В качестве практического объекта исследования композитного бетона выбраны полушпалы для путей метрополитена. Для оценки изменения основных показателей расчет производился для модели с добавлением базальтовой фибры и с классическим бетоном без добавок. Расчет производился в программном комплексе Ansys, с использованием графического интерфейса WorkBench. Моделирование структуры фибробетона выполнено встроенными средствами модуля Material Design в Ansys WorkBench, в роли матрицы материала использовалась линейно-упругая модель бетона. Исследование показало, что изделия из армированного бетона обладают более высокими прочностными характеристиками. Они имеют лучшую прочность на сжатие, на растяжение при изгибе, переносят более упругие деформации, а также воспринимают более высокие нагрузки. Сравнение результатов расчетов моделей показало улучшение по перемещениям в полушпале в продольном направлении и в вертикальном направлении, а также эквивалентным напряжениям по Мизесу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — А А. Байчорова, Д С. Ноздрин, Харун Махмуд

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF THE TENSELY DEFORMED STATE OF THE SUBWAY HALF-SLUSH OF BASALT CONCRETE

This study considers the modeling of composite concrete by the finite element method (CE) and the influence of the addition of basalt fiber on the physical and mechanical characteristics of the model. Hendellas for subway tracks have been chosen as a practical object for the study of composite concrete. To assess the change in the main indicators, the calculation was made for the model with the addition of basalt fiber and with classical concrete without additives. The calculation was performed in the Ansys software package, using the WorkBench graphical interface. The modeling of the fiber concrete structure was carried out by the built-in means of the Material Design module in Ansys WorkBench, a linearly elastic model of concrete was used as a material matrix. The study showed that reinforced concrete products have higher strength characteristics. They have better compressive strength, tensile strength during bending, tolerate more elastic deformations, and also perceive higher loads. Comparison of the results of the model calculations showed an improvement in movements in the half-sacled in the longitudinal and vertical direction, as well as equivalent Mises stresses.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛУШПАЛЫ МЕТРОПОЛИТЕНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО БЕТОНА»

УДК 666.97+691.32+625.142.4 doi: 10.55287/22275398_2023_3_54

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛУШПАЛЫ МЕТРОПОЛИТЕНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО БЕТОНА

А. А. Байчорова Д. С. Ноздрин Харун Махмуд

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва

Ключевые слова

базальтовая фибра, высокопрочный бетон, метод конечных элементов, программный комплекс Ansys, полушпалы

Аннотация

В этом исследовании рассмотрено моделирования работы композитного бетона методом конечных элементов (КЭ) и влияние добавления базальтовой фибры на физико-механические характеристики модели. В качестве практического объекта исследования композитного бетона выбраны полушпалы для путей метрополитена. Для оценки изменения основных показателей расчет производился для модели с добавлением базальтовой фибры и с классическим бетоном без добавок. Расчет производился в программном комплексе Ansys, с использованием графического интерфейса WorkBench. Моделирование структуры фибробето-на выполнено встроенными средствами модуля Material Design в Ansys WorkBench, в роли матрицы материала использовалась линейно-упругая

модель бетона. Исследование показало, что изделия из армированного бетона обладают более высокими прочностными характеристиками. Они имеют лучшую прочность на сжатие, на растяжение при изгибе, переносят более упругие деформации, а также воспринимают более высокие нагрузки. Сравнение результатов расчетов моделей показало улучшение по перемещениям в полушпале в продольном направлении и в вертикальном направлении, а также эквивалентным напряжениям по Мизесу.

Дата поступления в редакцию

14.07.2023

Дата принятия к печати

19.07.2023

Введение

Полушпалы широко распространены в строительстве путей метрополитена. Их основное назначение — это усиление конструкции рельсовых путей, так как они позволяют выдержать большую нагрузку и более равномерно распределить её по поверхности полотна.

Они широко применяются при обустройстве путей, размещаются под каждой рельсовой нитью. Предназначены для приема нагрузок от проезжающего транспорта и равномерного их распределения по основанию.

В последние несколько десятилетий, в связи с развитием строительства высотных зданий, набирают популярность высокопрочные бетоны с использованием различных модифицирующих добавок и наполнителей.

Достижение желаемых свойств высокопрочных бетонов возможно за счет использования эффективных компонентов для производства бетонной смеси, в том числе добавок, а также грамотного подбора оптимальных составов бетонной смеси.

Для улучшения показателей перечисленных свойств бетонов применяются различные способы, одним из которых является дисперсное армирование бетона волокнами. При введении в бетон волокна повышается прочность, поэтому фибру можно классифицировать как добавка повышающая прочность бетона [1]. Армированный дисперсными волокнами бетон называют фибро-бетоном.

Особое место среди армирующих добавок в бетоны занимает базальтовая фибра (БФ). Ее главной отличительной чертой является ее высокая прочность для всех видов напряженных состояний и способность переносить большие деформации в упругом состоянии.

По сравнению с другими волокнами, базальтовое волокно обладает превосходными характеристиками, то есть высоким соотношением прочности к весу, отличной пластичностью и долговечностью, высокой термостойкостью, хорошей коррозионной стойкостью и экономичностью, и это было исследовано в течение десятилетий рядом исследователей [2 - 7].

В последнее время базальтовые волокна приобрели популярность в армировании бетона благодаря своей химической стойкости, экологичности, термостойкости и хорошим механическим характеристикам.

Исследователи [8, 9] выявили, что базальтовые волокна позволяют значительно улучшить изгиб-ные свойства бетона. Брэнстон и др. [10] обнаружили, что базальтовые волокна в бетоне эффективны для предотвращения трещин за счет уменьшения величины свободной усадки и ограничения роста трещин, если они все же возникают. Аюб, Кизилканат и др. [11, 12] наблюдали, что высокопрочные бетоны, армированные базальтовыми волокнами, значительно повышают предел прочности при раскалывании и коэффициент интенсивности критического напряжения.

Целью работы является моделирование совместной работы бетона и базальтовой фибры для проведения расчета методом конечных элементов, показывающего влияние фибры на прочностные характеристики бетона и подтверждающего экспериментальные данные испытания образцов бетона, армированных базальтовой фиброй.

Материалы и методика исследования

Испытаниями, проведенными на реальных образцах [13], установлено, что бетонные изделия, армированные базальтовой фиброй, характеризуются значительной прочностью на сжатие, на растяжение, трещиностойкостью и др.

Исследования проводились с линейно-упругой моделью составного материала бетона с базальтовой фиброй, со следующими физико-механическими показателями: предел прочности на сжатие Яс , прочности на растяжение при изгибе и прочность при осевом растяжении Ксу. Значения определены по реальным образцам, испытанных в лабораторных условиях [13].

При проведении сравнительного анализа процентного соотношения базальтовой фибры в бетоне, подход применения которого был описан в статье [14], был выявлен наиболее эффективный процент добавления базальтовой фибры.

03

г

м О

-I

м

Э СО

:

2 2

£ 8 £ ° Ъ а

< 5

X 2 , а х о

5-е

а <и

ГО о О I X X

. <и У £

с! а > с

< го ей I О щ

^ 5

О I

т 5

>5 §

Ш щ

Оптимальное процентное содержание базальтовой фибры для прочности при сжатии составляет

Оптимальное процентное содержание базальтовой фибры для прочности при растяжении составляет 1,2%.

На основании вышеприведенных результатов, в нашем исследовании была принята фибра в процентном соотношении 1,2.

Деформация железобетонной шпалы сравнивается в момент наибольшего давления состава на одну полушпалу (совпадение центральной оси симметрии полушпалы и оси вращения колеса подвижного состава поезда метрополитена). Характеристики всех материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Бетон М500 (В40)

3 Плотность, кг/м Начальный модуль упругости, Модуль Юнга, ГПа Коэффициент Пуассона

3870 36 0,18

Цементный композит

3 Плотность, кг/м Начальный модуль упругости, Модуль Юнга, ГПа Коэффициент Пуассона

2800 100 0,22

Базальтовая фибра

Принятая объемная доля волокон в единичном объеме материала Ориентация волокон относительно друг друга со смещением Диаметр волокон

0,12 30° 17,9

Металл болтовых соединений, крепежных элементов и колеса состава: Принят абсолютно жестким материалом

Расчет производился в программном комплексе Ansys, с использованием графического интерфейса Workbench. Моделирование структуры фибробетона выполнено встроенными средствами модуля Material Design в Ansys WorkBench, в роли матрицы материала использовалась линейно-упругая модель бетона.

В программном комплексе были смоделированы бетонные полушпалы двух типов: с добавление фибры, без добавления фибры. В исследовании применялся программный комплекс Ansys, сравнение результатов расчета производилось по нескольким основным показателям: перемещениям в полушпале по оси X (в продольном направлении), перемещениям в полушпале по оси Y (в вертикальном направлении), эквивалентным напряжениям по Мизесу в полушпале.

Результаты и обсуждения

При помощи программного комплекса конечно-элементного анализа Ansys мы моделируем эксплуатационные условия работы полушпал метрополитена в двух вариациях: армированных

БФ и бетонных полушпал без армирования БФ (рис. 1). Вес одного вагона подвижного состава метрополитена принят 34 т.

Рис. 1. Геометрическая модель

Для анализа результатов расчета детальнее рассмотрим процесс нагружения образцов бетона, армированного фиброволокнами. В напряженно-деформированном состоянии композитных материалов следует выделять несколько основных составляющих комплексного процесса:

1. Работа цементной матрицы (крупного заполнителя);

2. Работа арматуры совместно с бетоном;

3. Силы сопротивления, препятствующие выдергиванию арматурного стержня;

4. Работа отдельных волокон на растяжение в зоне роста трещин;

5. Силы сопротивления, препятствующие отделению каждого волокна от их общей матрицы;

В данном расчете принят бетон с приведенными характеристиками арматуры, цемента и крупного заполнителя, вследствие этого отсутствует третья стадия работы композита, определяющими становятся четвертый и пятый этапы.

На рис. 2 - рис. 4 проиллюстрированы сравнительные результаты деформаций бетонных полушпал метрополитена. В таблице 2 приведены характеристики испытаний, а также процентное изменение показателей. Для наглядности процентное изменение показателей можно наблюдать на рис. 5.

Цемент, армированный базальтовым волокном 8,17^-7

Рис. 2. Перемещения в плите по оси «X»

Цемент М500 (В40) 9,1034e-7

03

г

м О

-I

м

Э СО

:

2 2

£ 8 £ ° Ъ а

< 5

X 2 , а х о 5-е

а <и

ГО о О I X X

. <и У £

с! а > с

< го ей I О щ

^ 5

О х

т 5 8

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ш щ

Цемент, армированный базальтовым волокном Цемент М500 (В40)

-4,8875е-9 (т) -4,6096е-9 (т)

Рис. 3. Перемещения в плите по оси «У»

Цемент, армированный базальтовым волокном 5,8063е6 (Ра)

Рис. 4. Эквивалентные напряжения по Мизесу

Цемент М500 (В40) 5,7342е6 (Ра)

Представим результаты расчета в сводной таблице и определим процентное изменение показателей бетона:

Таблица 2

Характеристики испытаний и процентное изменение показателей

Характеристика испытаний Процентное изменение показателей, %

Цемент, армированный Цемент М500 (В40) базальтовым волокном

Перемещения в плите по оси «X», [т]

9,1034Е-07 8,1716Е-07 11,40

Перемещения в плите по оси <^», [т]

8,2098Е-06 7,3004Е-06 12,46

Эквивалентные напряжения по Мизесу, [Ра]

5,7342Е+06 5,8060Е+06 -1,24

Наглядно улучшение характеристик бетона видно на графике, построенному по процентным изменениям контролируемых параметров:

CD I-

U

ш

и

Рис. 5. Процентное изменение показателей.

Процентное изменение напряжений составляет 1,24%, что объясняется численными методами интегрирования при решении задач по методу конечных элементов (КЭ). Таким образом мы можем утверждать, что исходная модель приложения сил сохранилась без изменения, а снижение деформаций произошло в результате армирования цемента базальтовыми фиброволокнами.

Включение в работу конструкции базальтовых волокон влечет за собой передачу на них части ^ нагрузки и перераспределение ее, таких образом мы наблюдаем улучшение механических показателей бетона.

и

Z м

О

Выводы

В данном исследовании был проведен расчет моделей полушпал метрополитена на деформации при статической нагрузке от воздействия подвижного состава.

Конечно-элементная модель матрицы бетона с базальтовой фиброй подтверждает экспериментальные данные испытания образцов бетона, армированных базальтовой фиброй.

Проведенное исследование позволяет сделать следующий вывод об использовании бетона с добавленной фиброй - изделия из армированного бетона обладают более высокими прочност- ^

ными характеристиками. Они имеют лучшую прочность на сжатие, на растяжение при изгибе, о

переносят более упругие деформации, а также воспринимают более высокие нагрузки. ^ О

Сравнение результатов расчетов моделей показало улучшение по нескольким основным по- ^ ^

казателям: перемещениям в полушпале по оси X (в продольном направлении), перемещениям > о

& а

в полушпале по оси У (в вертикальном направлении), эквивалентным напряжениям по Мизесу < 5

в полушпале.

X Z , а х о

s-e

tL ф

И Ч

ГО о О I

Библиографический список X I

1. ГОСТ 24211-2008, Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. ° S

cj а

2. Hasanzadeh A. et al. "Prediction of the mechanical properties of basalt fiber reinforced high- * с

ч го са i О щ

3. J. M. Park, W. G. Shin and D. J. Yoon, "A study of interfacial aspects of epoxy-based composites q i

У го

reinforced with dual basalt and SiC fibres by means of the fragmentation and acoustic emission techniques", jg u

^ о

Composites Science and Technology, 59 (3), pp. 355 - 370, 1999. 2 J

performance concrete using machine learning techniques", Materials, 15 (20), 7165, 2022.

4. J. Sim, C. Park and D. Y. Moon, "Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures", Composites Part B: Engineering, 36 (6), pp. 504 - 512, 2005.

5. S. Matko, et al., "Use of reactive surfactants in basalt fiber reinforced polypropylene composites", Macromolecular Symposia, 202, pp. 255 - 268, 2003.

6. S. Ozttirk, "The effect of fibre content on the mechanical properties of hemp and basalt fibre reinforced phenol formaldehyde composites", Journal of Materials Science, 40 (17), pp. 4585 - 4592, 2005.

7. T. Czigany, "Basalt fiber reinforced hybrid polymer composites", Materials Science Forum, 473, pp. 59 - 66, 2005.

8. Sadrmomtazi A., Tahmouresi B., Saradar A. "Effects of silica fume on mechanical strength and microstructure of basalt fiber reinforced cementitious composites (BFRCC)", Construction and Building Materials, 162, pp. 321 - 333, 2018.

9. M. Afroz M., Venkatesan S., Patnaikuni I. "Effects of hybrid fibers on the development of high-volume fly ash cement composite", Construction and Building Materials, 215, pp. 984 - 997, 2019.

10. Branston J. et al. "Mechanical behaviour of basalt fibre reinforced concrete", Construction and Building Materials, 124, pp. 878 - 886, 2016.

11. Ayub T., Shafiq N., Nuruddin M. F. "Effect of chopped basalt fibers on the mechanical properties and microstructure of high-performance fiber reinforced concrete", Advances in Materials Science and Engineering, 587686, 2014.

12. Kizilkanat A. B. et al. "Mechanical properties and fracture behavior of basalt and glass fiber reinforced concrete: An experimental study", Construction and Building Materials, 100, pp. 218 - 224, 2015.

13. Kharun M., Koroteev D. "Effect of basalt fibres on the parameters of fracture mechanics of MB modifier based high-strength concrete", MATEC Web of Conferences, 251, 02003, 2018.

14. Hematibahar M. et al. "The prediction of compressive strength and compressive stress-strain of basalt fiber reinforced high-performance concrete using classical programming and logistic map algorithm", Materials, 15 (19), 6975 (2022).

15. Abbas Ashour Alaraza H., Kharun M., Chiadighikaobi P. C. "The effect of minibars basalt fiber fraction on mechanical properties of high-performance concrete", Cogent Engineering, 9 (1), pp. 2136603, 2022.

16. Котляревская А. В., Лубенец Я. В., Котляревский А. А. "Актуальность применения базальтовой фибры в современном строительстве", Инженерный вестник Дона, 11 (83), стр. 507 - 516, 2021.

17. Окольникова Г. Э. и др. "Влияние базальтовой фибры на прочность бетона", Системные технологии, 2 (31), стр. 37 - 40, 2019.

18. Травуш В. И., Конин Д. В., Крылов А. С. "Прочность железобетонных балок из высокопрочных бетонов и фибробетонов", Инженерно-строительный журнал, 1 (77), стр. 90 - 100, 2018.

19. ГОСТ 10180-2012, Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

20. СП 63.13330.2012, Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.

21. ГОСТ 24452-80, Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

22. ГОСТ 24211-2008, Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

INVESTIGATION OF THE TENSELY DEFORMED STATE OF THE SUBWAY HALF-SLUSH OF BASALT CONCRETE

A. A. Baichorova D. S. Nozdrin Kharun Makhmud

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow

Abstract

This study considers the modeling of composite concrete by the finite element method (CE) and the influence of the addition of basalt fiber on the physical and mechanical characteristics of the model. Hendellas for subway tracks have been chosen as a practical object for the study of composite concrete. To assess the change in the main indicators, the calculation was made for the model with the addition of basalt fiber and with classical concrete without additives. The calculation was performed in the Ansys software package, using the WorkBench graphical interface. The modeling of the fiber concrete structure was carried out by the built-in means of the Material Design module in Ansys WorkBench, a linearly elastic model of concrete was used as a material matrix. The study showed that reinforced concrete products have higher strength characteristics. They have better compressive strength, tensile strength during bending, tolerate more elastic deformations, and also perceive higher loads. Comparison of the results of the model calculations showed an improvement in movements in the half-sacled in the longitudinal and vertical direction, as well as equivalent Mises stresses.

The Keywords

basalt fiber, high-strength concrete, finite element method, Ansys software package, half-slush

Date of receipt in edition

14.07.2023

Date of acceptance for printing

19.07.2023

О

ей

1-

и

-Q

с;

ш

1-

S

О

а

1-

и 5

О

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Z

М

О

-1

М

Э

СО

Ссылка для цитирования:

А. А. Байчорова, Д. С. Ноздрин, Харун Махмуд. Исследование напряженно деформированного состояния полушпалы метрополитена из базальтового бетона. — Системные технологии. — 2023. — № 3 (48). — С. 54 - 61.

Sí : s 2

£ 8 OL Q

< s X Z

, а х о

s-e

tL ф

И Ч

ГО о О I X X . Ф

U £

el а > с

< го

CQ I

О ф

d S

О I

т S

>5 g

Ш щ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.