Плита: метод Вуда-Армера
Метод Вуда-Армера приводит шесть усилий плоского выделенного элемента плиты или стены
(Nx, Ny, Nxy, Mx, My, Mxy) к расчётным усилиям четырёх полос: по направлениям
арматуры X и Y у верхней и нижней граней. Каждая полоса затем проверяется как нормальное
сечение единичной ширины — по формулам СП 63.13330 или по
нелинейной деформационной модели (список Модель полосы в параметрах
задачи; новые задачи — НДМ). Пара полос X, Y одной грани показывается вместе.
Правило приведения моментов предложено Р. Вудом (R. H. Wood, 1968) и дополнено Г. Армером
(G. S. T. Armer, 1968). Правило исходит из критерия текучести по нормальным моментам и даёт
моменты, которые при армировании по направлениям X/Y перекрывают нормальный момент на
площадке любого направления. СП 63 в п. 8.1.54 допускает, помимо расчёта с разделением на
слои, и другие методы, основанные на равновесии внешних усилий по сторонам выделенного
элемента и внутренних усилий в диагональном сечении; метод Вуда-Армера можно рассматривать
как один из них.
Где применяется
| Задача | Kind |
Что проверяется |
|---|---|---|
| Пластина: прочность (Wood & Armer) | shell_simpl_wa_uls |
прочность четырёх полос, ПС1 |
| Пластина: прочность WA (набор) | shell_simpl_wa_uls_batch |
то же по всем строкам набора усилий |
| Пластина: трещины (Wood & Armer) | shell_simpl_wa_sls |
ширина раскрытия трещин четырёх полос, ПС2 |
| Пластина: трещины WA (набор) | shell_simpl_wa_sls_batch |
то же по всем строкам набора усилий |
Реализация — CScore/ShellSimplSolver.cs. Та же проверка доступна в нормативных проверках
МКЭ-модели (PlateCheckParams.Kind = shell_simpl_wa_uls | shell_simpl_wa_sls).
Исходные данные
- Плитное сечение
PlateSection: толщинаh, арматурные слоиRebarLayersс площадямиAsx,Asy(м²/м), координатамиZsx,Zsyот срединной плоскости и диаметрами. - Слои с
z ≤ 0суммируются в нижнюю арматуру, слои сz > 0— в верхнюю. Привязкаaкаждой грани — расстояние от грани до ближайшего к ней центра стержней этой грани. Несколько рядов у одной грани, таким образом, заменяются одним рядом суммарной площади на привязке крайнего ряда. - Материалы: для ПС1 — расчётные характеристики (
C), для ПС2 — нормативные (N). - Усилия на единицу ширины:
N— кН/м («+» — растяжение),M— кН·м/м. ПоложительныеMx,Myрастягивают верхнюю грань (+Z), см. соглашения о знаках.
Шаг 1. Расчётные моменты граней
Для верхней грани:
Если M'x < 0, арматура X у этой грани не нужна, и момент перераспределяется на другое
направление:
симметрично при M'y < 0: M'y = 0, M'x = Mx + Mxy²/|My|. Отрицательные значения после
этого принимаются равными нулю.
Для нижней грани те же формулы применяются к −Mx, −My: момент, растягивающий нижнюю
грань, считается положительным.
Шаг 2. Мембранные усилия
Для мембранных усилий используется то же правило, что и для моментов:
с той же заменой N'x = 0, N'y = Ny + Nxy²/|Nx| (и симметричной) при отрицательном
результате. Положительное N' — растяжение направления, оно передаётся в полосы как есть.
Правило построено для подбора растянутой арматуры и отрицательный результат означает лишь,
что растянутая арматура в этом направлении не требуется. При проверке сжатое направление
не обнуляется: сдвиг Nxy может как уменьшить, так и увеличить сжатие площадки, поэтому
берутся обе границы:
- Прочность: полоса проверяется с каждым из двух значений, в результат идёт больший
Кисп. - Трещины: берётся наименьшее обжатие
N_min, оно неблагоприятно для ширины раскрытия.
При Nxy = 0 оба значения совпадают с N.
Шаг 3. Четыре полосы
| Полоса | Момент | Продольная сила | h0 |
Растянутая арматура | Сжатая арматура |
|---|---|---|---|---|---|
| x, верх | M'x верхней грани |
N'x |
h − a_верх |
Asx верх |
Asx низ |
| x, низ | M'x нижней грани |
N'x |
h − a_низ |
Asx низ |
Asx верх |
| y, верх | M'y верхней грани |
N'y |
h − a_верх |
Asy верх |
Asy низ |
| y, низ | M'y нижней грани |
N'y |
h − a_низ |
Asy низ |
Asy верх |
Ширина каждой полосы b = 1 м, a' — привязка противоположной грани.
Грань, которую момент сжимает, при растягивающей силе
Расчётные моменты шага 1 — частный выбор в условии (8.100) п. 8.1.54 СП 63
при M'x = Mx + k·|Mxy|, M'y = My + |Mxy|/k оно выполняется для любого k > 0, и достаточно
одного k. Основная запись отвечает k = 1; при M'x < 0 правило Вуда берёт k = |Mx/Mxy|
и получает M'x = 0.
Без продольной силы нулевой момент означает, что арматура этой грани не нужна. При
растягивающей N' это уже не так: полоса с M' = 0 проверяется как центрально растянутая,
и половина силы приходится на арматуру грани, которую фактический момент сжимает. По п. 8.1.54
предельные моменты при действии продольной силы определяются с её учётом (п. 8.1.57), то есть
момент, уводящий равнодействующую к другой грани, в расчёте участвовать должен.
Поэтому в проверке прочности для грани, у которой момент обнулён, а N' > 0, дополнительно
рассматривается пара k = 1 без обнуления:
Полоса с отрицательным моментом считается как то же сечение с растянутой противоположной
гранью и моментом |M'|; проверяются оба ряда арматуры. Из двух пар («правило Вуда» и
k = 1) берётся та, у которой наибольший Кисп двух полос грани меньше. В результате
такая полоса показывается с отрицательным моментом и пометкой «Момент сжимает грань».
Пример: h = 200 мм, привязка 40 мм, B25, A500; по X верх 11,5 см²/м, низ 2,6 см²/м;
Nx = +363, Nxy = 22 кН/м, Mx = +37,3, Mxy = 2 кН·м/м.
| Полоса «x, низ» | M', кН·м/м |
N', кН/м |
Кисп |
|---|---|---|---|
правило Вуда, M' = 0 |
0 |
385 |
385·0,06/(435·2,6·10⁻¹·0,12) = 1,70 |
пара k = 1 |
−35,3 |
385 |
0,68 |
Решающей остаётся полоса «x, верх» с полным моментом 39,3 кН·м/м: Кисп = 0,90.
Шаг 4. Проверка полосы по прочности
Шаги 4 и 5 относятся к модели полосы «Формулы СП 63»; при модели НДМ полоса считается
по нелинейной деформационной модели. Проверка общая для методов Вуда-Армера и Капра-Мори
(ShellSimplSolver.ComputeStripUls). Граничная относительная высота сжатой зоны
Сжатие (N < 0), п. 8.1.14. При Nc = −N:
при x/h0 > ξR — по (8.13):
Коэффициент η влияния прогиба (п. 8.1.15) и случайный эксцентриситет (п. 8.1.7) в этой
проверке не учитываются (η = 1, e0 = M/N). Для гибких стен их нужно учесть отдельно,
увеличив момент во входных усилиях.
Изгиб (N = 0), пп. 8.1.8, 8.1.9, 8.1.13.
При x ≤ 2a' сжатая арматура не учитывается (п. 8.1.13): x0 = Rs·As/(Rb·b),
M_ult = Rs·As·(h0 − x0/2) при x0 < 2a', иначе Rs·As·(h0 − a'). Кисп = M/M_ult.
Растяжение (N > 0), п. 8.1.19. e0 = M/N.
e0 < (h0 − a')/2, п. 8.1.19а: проверяются оба условия (8.20), (8.21),Кисп = max(N·e / (Rs·A's·(h0 − a')), N·e' / (Rs·As·(h0 − a'))),e = (h0 − a')/2 − e0,e' = (h0 − a')/2 + e0.e0 ≥ (h0 − a')/2, п. 8.1.19б:x = (Rs·As − Rsc·A's − N)/(Rb·b), не болееξR·h0;Кисп = N·(e0 − (h0 − a')/2) / (Rb·b·x·(h0 − 0,5x) + Rsc·A's·(h0 − a')). Если по (8.25) получаетсяx ≤ 0, сжатой зоны при учёте сжатой арматуры нет — см. следующий раздел.
Итоговый Кисп задачи — наибольший по четырём полосам.
Сжатая арматура при малой высоте сжатой зоны
СП 63 оговаривает случай x < 2a' только для изгиба: по п. 8.1.13, если высота сжатой зоны,
вычисленная без учёта сжатой арматуры (A's = 0), меньше 2a', в формулу (8.9) вместо a'
подставляют x/2. Сжатая арматура при такой высоте сжатой зоны до Rsc не дорабатывает, и
формула с Rsc·A's занижает плечо внутренней пары.
В пп. 8.1.14 и 8.1.19 такой оговорки нет. В плите продольная сила почти никогда не равна нулю
точно, высота сжатой зоны составляет несколько миллиметров, и буквальная подстановка
Rsc·A's в (8.10) или (8.24) даёт несущую способность примерно на 20 % меньше, чем та же
полоса при N = 0. Поэтому в OpenCS принято следующее.
- Сжатие и растяжение с сжатой зоной,
x ≤ 2a'. Условие (8.10) или (8.20) считается второй раз приA's = 0— с высотой сжатой зоны по тем же формулам без сжатой арматуры — и в результат идёт больший предельный момент. Обе схемы статически допустимы: напряжение в сжатой арматуре может быть любым от нуля доRsc. - Растяжение, по (8.25)
x ≤ 0. Без сжатой арматуры сжатая зона бетона существует, покаN < Rs·As:x = (Rs·As − N)/(Rb·b). Если эта высота меньше2a', момент берётся относительно равнодействующей сжатого бетона, как в п. 8.1.13:
где e'' — расстояние от силы до центра сжатой зоны. Эта запись тождественна условию (8.20)
с M_ult по (8.24) при A's = 0, а на границе e0 = (h0 − a')/2 совпадает с условием (8.21)
п. 8.1.19а. При N ≥ Rs·As сжатой зоны нет и без сжатой арматуры — остаётся условие (8.21).
В строке результата такие полосы помечены «x ≤ 2a′, без A′s». Формульная проверка
стержневых нормальных сечений (sp63_normal) этим правилом не затронута.
Пример (сжатие): h = 200 мм, привязка 40 мм, B25, A500, As = 2,66, A's = 2,6 см²/м,
M = 18,29 кН·м/м, N = −3,6 кН/м.
| Схема | x, мм |
M_ult, кН·м/м |
Кисп |
|---|---|---|---|
(8.10) с Rsc·A's |
1,06 |
14,92 |
1,24 |
(8.10) при A's = 0 |
8,23 |
18,60 |
0,995 |
изгиб при N = 0, п. 8.1.13 |
7,98 |
18,05 |
1,01 |
Шаг 5. Ширина раскрытия трещин полосы
Также общая для обоих формульных методов (ShellSimplSolver.ComputeStripSls), характеристики
материалов — нормативные.
- Момент образования трещин (пп. 8.2.10–8.2.12):
Mcrc = Rbt,ser·Wpl − N·ex,Wpl = γ·Wred,ex = Wred/Ared; по умолчаниюγ = 1,3. Приведённое сечение без трещины — сα = Es/Eb. Трещина есть, еслиM > Mcrc. - Высота сжатой зоны сечения с трещиной: изгибная
x_Mпо п. 8.2.28 сαs1 = Es/Eb,red,Eb,red = Rb,ser/0,0015, поправка на продольную силу по (8.154):x_m = x_M − I_red·N/(A_red·M). - Напряжение в арматуре по (8.134) для сечения с трещиной:
σs = αs1·[Mc·(h0 − yc)/Ired + N/Ared]. По п. 8.2.16Ared,ycиIred— площадь приведённого сечения с трещиной (сжатая зонаx_mи арматура сαs1), расстояние от сжатой грани до его центра тяжести и момент инерции относительно этого центра тяжести;ycне равноx_m, в отличие от (8.129) для изгиба. Внешний момент задан относительно середины высоты и переносится к тому же центру тяжести:Mc = M + N·(h/2 − yc). ПриN = 0запись совпадает с формулой для изгиба. Еслиx_m ≤ 0, сечение растянуто насквозь, бетон из работы исключается и растяжение делят оба ряда арматуры:F = (M + N·(h/2 − a'))/(h0 − a'),σs = F/As; приx_m → 0формула (8.134) сама переходит в это равновесие, поэтому скачка на границе нет. σs,crc— то жеσsприM = Mcrc(п. 8.2.18),ψs = 1 − 0,8·σs,crc/σsв пределах0,1…1,0.- Расстояние между трещинами по п. 8.2.17:
ls = 0,5·Abt/As·dsв пределахmax(10ds; 100 мм)…min(40ds; 400 мм); высота растянутой зоны дляAbt— по сечению без трещины, в пределах2a…0,5h0. - Ширина раскрытия (8.128):
acrc = φ1·φ2·φ3·ψs·σs/Es·ls,φ3 = 1,2при растягивающейN, иначе1,0.
При сквозном растяжении (x_m ≤ 0) растянут и ряд у грани, которую момент не растягивает, и
трещина есть у обеих граней. Сила во втором ряду берётся из того же равновесия,
F2 = N − F. Поэтому для полос одного направления проверяется и такая пара: если у полосы
противоположной грани x_m ≤ 0, её второй ряд — это ряд данной грани, и он растянут даже при
нулевом расчётном моменте данной грани (тогда собственная полоса трещины не видит вовсе). В
результат полосы идёт большая из двух ширин раскрытия.
Задача одного сочетания считает ширину при заданном φ1. Продолжительное и
непродолжительное раскрытие по п. 8.2.7 (acrc = acrc,1 и acrc = acrc,1 + acrc,2 − acrc,3)
собираются из трёх запусков: длительное сочетание при φ1 = 1,4, полное и длительное — при
φ1 = 1,0.
Ограничения
- Моменты для трещин приводятся тем же правилом Вуда, то есть с добавкой
|Mxy|. П. 8.1.59 предписывает считать трещиностойкость плит по изгибающим моментам без учёта крутящих. При заметном кручении метод даёт ширину раскрытия с запасом. - Полосы проверяются независимо друг от друга: совместная работа направлений учтена только правилом приведения.
- Поперечная сила проверяется по пп. 8.1.32–8.1.33 на полосе
1 мплощадки наибольшейQ, как у Капра-Мори. Продавливание и проверка стены в своей плоскости по сдвигу (8.113)–(8.115) в эту задачу не входят. - Несколько рядов арматуры у одной грани заменяются одним рядом на привязке крайнего ряда.
Проверка
- Полоса плиты по НДМ и подбор сеток Капра-Мори
- Трещиностойкость плиты по Wood & Armer — пример 48
- Плита — сверка с ЛИРА-САПР на опорном сечении
- Сжатая стена — сверка с ЛИРА-САПР и упрощённым расчётом по СП 63
Связанные страницы: метод Капра-Мори, слоистая модель, плиты и оболочки.