Перейти к содержанию

Слоистая модель: сверка с многослойным методом (Craveiro et al., 2021)

ID: TEST-PLATE-LAYERED-CRAVEIRO-1
Статус: сверка выполнена
Эталон: M. V. Craveiro, T. N. Bittencourt, J. C. Della Bella. Design and verification of
        reinforced concrete shell elements. Rev. IBRACON Estrut. Mater., 2021, vol. 14, no. 3,
        e14305, раздел 3 (многослойный метод Kollegger), элемент 1, табл. 1, 13–16.
        https://doi.org/10.1590/S1983-41952021000300005
Сравниваются: OpenCS — слоистая модель (PlateSection "layered", ShellStrainSolver)
              с диаграммой бетона статьи и со штатными диаграммами L2, L3, ЕКБ
Результат: с диаграммой статьи НДС совпадает в пределах 0,3 %, внутренние усилия — в пределах
           0,2 %, послойные θ, ε1, ε2, σ2 — в пределах точности таблиц статьи;
           со штатными диаграммами L2, L3, ЕКБ силы в арматуре отличаются от статьи
           не более чем на 2 %, в бетоне — не более чем на 6 %, деформации — в разы
           (см. проверку 5)
Тест: CScore.Tests/ShellLayeredCraveiroTests.cs

В разделе 3 статьи описан многослойный метод проверки элемента оболочки. Элемент делится по толщине на слои бетона. Деформации распределены линейно, в каждом слое находятся главные деформации и угол главных осей. Прочность сжатого бетона снижается поперечным растяжением (модель Vecchio–Collins). Главные напряжения поворачиваются в оси x, y и интегрируются по толщине. Деформации срединной плоскости и кривизны, уравновешивающие заданные усилия, находятся методом Ньютона. Слоистая модель OpenCS устроена так же (см. описание метода). Поэтому таблицы статьи позволяют сверить не только итоговое НДС, но и промежуточные величины по каждому слою.

Постановка

Величина Значение
Толщина h = 1,50 м, 10 слоёв бетона по 0,15 м
Бетон fck = 20 МПа, γc = 1,4, fcd = 14,29 МПа
Диаграмма бетона статьи парабола-прямоугольник NBR 6118: σ = 0,85·β·fcd·[1 − (1 − ε/εc2)²] при |ε| ≤ εc2 = 2‰, далее 0,85·β·fcd до εcu = 3,5‰; растяжение не учитывается
Арматура fyk = 500 МПа, γs = 1,15, fyd = 434,8 МПа, Es = 210 000 МПа, диаграмма Прандтля
Арматура x Asx = 14,00 см²/м на z = +0,550 м; Asx = 39,70 см²/м на z = −0,477 м
Арматура y Asy = 12,70 см²/м на z = −0,477 м (у верхней грани нет)
Снижение прочности бетона Vecchio–Collins, εc2 = 2‰, см. ниже

z отсчитывается от срединной плоскости вверх, как в OpenCS. Формулы статьи (42)–(46), (57)–(59) используют ту же ось и то же правило знаков моментов: Mx = Σσx·hi·zi (положительный момент растягивает грань z > 0). Пересчёт знаков не нужен.

Единицы

Усилия в статье даны в тоннах-силы. Пик диаграммы бетона в табл. 14 равен 857,14 тс/м². Это 0,85·β·fcd при β = 0,6/0,85 и fcd = 20/1,4 = 14,286 МПа, если 1 МПа = 100 тс/м². Значит, в статье 1 тс = 10 кН, и все величины ниже пересчитаны по этому соотношению.

Усилия

Nx, кН/м Ny, кН/м Nxy, кН/м Mx, кН·м/м My, кН·м/м Mxy, кН·м/м
Элемент 1, табл. 1 2024,6 −93,1 272,6 −287,9 −362,8 −166,6

Снижение прочности сжатого бетона

Ур. (50) статьи:

\[ \beta = \frac{1}{0{,}8 + 0{,}34\,\varepsilon_1/\varepsilon_{c2}},\qquad \frac{0{,}60}{0{,}85} \le \beta \le 1, \]

ε1 — главная растягивающая деформация того же слоя. Нижняя граница — отношение прочностей растрескавшегося и нерастрескавшегося бетона fcd2/fcd1 по Model Code 1990. В OpenCS применяется та же формула (см. описание метода). В этом примере ε1 > 3,6‰ во всех слоях, поэтому β = 0,706 по всей толщине.

Решение в OpenCS

Сверка выполнена тестом CScore.Tests/ShellLayeredCraveiroTests.cs (dotnet test CScore.Tests --filter ShellLayeredCraveiro):

  1. Плитное сечение: h = 1,5 м, NLayers = 10, модель layered, растянутый бетон не учитывается, снижение прочности Vecchio–Collins, εc2 = 0,002, два арматурных слоя по постановке.
  2. Проверки 1–4: диаграмма бетона статьи задана в тесте отдельным классом (парабола-прямоугольник с вершиной 0,85·fcd), арматура — диаграмма Прандтля.
  3. Проверка 5: штатные диаграммы OpenCS L2, L3, ЕКБ, построенные по характеристикам бетона Rb = 0,85·fcd = 12,14 МПа, Eb = 5600·√fck = 25 043 МПа (NBR 6118), εb0 = 2‰, εb2 = 3,5‰; арматура — L2 с Rs = Rsc = 434,8 МПа, Es = 210 000 МПа.

В интерфейсе те же расчёты со штатными диаграммами выполняются задачей shell_strain_state (НДС оболочки) для плитного сечения с этими материалами. Диаграммы «парабола-прямоугольник» в списке диаграмм плитного сечения нет — она используется только в тесте как эталонная.

Проверка 1. Усилия по НДС статьи

В модель OpenCS подставлено НДС равновесия из табл. 16. Внутренние усилия должны совпасть с заданными нагрузками.

Величина Статья (нагрузки) OpenCS по НДС статьи
Nx, кН/м 2024,6 2024,7
Ny, кН/м −93,1 −92,9
Nxy, кН/м 272,6 272,5
Mx, кН·м/м −287,9 −287,9
My, кН·м/м −362,8 −362,8
Mxy, кН·м/м −166,6 −166,6

НДС в таблице статьи дано с пятью значащими цифрами. Отклонения не превышают 0,2 кН/м при усилиях порядка 2000 кН/м.

Проверка 2. НДС по нагрузкам

Решатель OpenCS запущен по нагрузкам статьи из упругого начального приближения. Сходимость — за 6 итераций.

Величина Статья, табл. 16 OpenCS Отклонение
ε0x, ‰ 3,1494 3,1466 −0,09 %
ε0y, ‰ 1,0386 1,0385 −0,01 %
γ0xy, ‰ 2,4179 2,4163 −0,07 %
κx, ‰/м 2,2759 2,2704 −0,24 %
κy, ‰/м −1,9826 −1,9832 +0,03 %
κxy, ‰/м −3,3593 −3,3637 +0,13 %

Проверка 3. Величины по слоям

Главные деформации, угол главных осей и главное сжимающее напряжение в середине каждого слоя для НДС, найденного OpenCS. θ — угол направления ε1 к оси x.

Слой z, м θ, ° статья θ, ° OpenCS ε1, ‰ статья ε1, ‰ OpenCS ε2, ‰ статья ε2, ‰ OpenCS σ2, МПа статья σ2, МПа OpenCS
1 0,675 0,86 0,84 4,687 4,680 −0,301 −0,301 −2,385 −2,387
2 0,525 4,28 4,26 4,369 4,363 −0,027 −0,027 −0,228 −0,229
3 0,375 8,67 8,66 4,091 4,086 0,207 0,207 0 0
4 0,225 14,22 14,22 3,872 3,868 0,382 0,382 0 0
5 0,075 20,85 20,86 3,733 3,729 0,477 0,478 0 0
6 −0,075 28,07 28,08 3,691 3,688 0,475 0,475 0 0
7 −0,225 35,02 35,03 3,749 3,748 0,373 0,373 0 0
8 −0,375 41,02 41,03 3,896 3,895 0,182 0,182 0 0
9 −0,525 45,86 45,86 4,109 4,109 −0,075 −0,075 −0,629 −0,630
10 −0,675 49,63 49,62 4,369 4,370 −0,379 −0,379 −2,939 −2,938

Главные оси поворачиваются по толщине почти на 50°: у верхней грани ε1 направлена вдоль x, у нижней — близко к диагонали. Поэтому угол и снижение β определяются для каждого слоя по его собственным деформациям. Бетон сжат только в двух слоях у каждой грани. В слоях 3–8 обе главные деформации положительны, и бетон в равновесии не участвует.

Напряжения в арматуре (в статье — деформации εsxi, εsyi табл. 14):

Арматура ε, ‰ статья ε, ‰ OpenCS σ, МПа OpenCS
x, z = +0,550 4,4011 4,3953 434,8 (текучесть)
x, z = −0,477 2,0638 2,0636 433,4
y, z = −0,477 1,9842 1,9845 416,7

Проверка 4. Вклад бетона и арматуры

Суммы по слоям (табл. 15 статьи) против разложения усилий в OpenCS.

Величина Статья, табл. 15 OpenCS
Nsx, кН/м 2329,3 2329,1
Nsy, кН/м 529,2 529,3
Ncx, кН/м −304,7 −304,7
Ncy, кН/м −622,3 −622,9
Ncxy, кН/м 272,6 272,5
Msx, кН·м/м −485,9 −485,9
Msy, кН·м/м −252,4 −252,5
Mcx, кН·м/м 198,0 198,0
Mcy, кН·м/м −110,4 −110,7
Mcxy, кН·м/м −166,6 −166,7

Проверка 5. Штатные диаграммы бетона

Те же нагрузки рассчитаны со штатными диаграммами OpenCS. Характеристики бетона подобраны так, чтобы вершина диаграммы совпадала с диаграммой статьи (Rb = 0,85·fcd).

Диаграммы сжатого бетона: парабола-прямоугольник статьи, L2, L3, ЕКБ

При одной и той же прочности диаграммы сильно различаются по жёсткости на начальном участке. Начальный модуль параболы-прямоугольника 2·Rb/εc2 = 12,1 ГПа, у L2 — Rb/εb1,red = 8,1 ГПа, у L3 — Eb = 25,0 ГПа, у ЕКБ — 1,05·Eb = 26,3 ГПа. В этом примере сжатый бетон работает именно на начальном участке: |ε2| < 0,71‰.

НДС.

Величина Статья Парабола (OpenCS) L2 L3 ЕКБ
ε0x, ‰ 3,149 3,147 3,482 2,297 2,499
ε0y, ‰ 1,039 1,039 1,008 1,130 1,110
γ0xy, ‰ 2,418 2,416 2,442 2,402 2,402
κx, ‰/м 2,276 2,270 2,956 0,534 0,946
κy, ‰/м −1,983 −1,983 −2,050 −1,865 −1,880
κxy, ‰/м −3,359 −3,364 −3,479 −3,354 −3,321

Разложение усилий.

Величина Статья, табл. 15 L2 L3 ЕКБ
Nsx, кН/м 2329,3 2334,8 2311,6 2316,0
Nsy, кН/м 529,2 529,5 538,7 535,3
Ncx, кН/м −304,7 −311,1 −288,0 −291,5
Ncy, кН/м −622,3 −623,6 −632,2 −628,4
Msx, кН·м/м −485,9 −488,6 −477,5 −479,6
Msy, кН·м/м −252,4 −252,6 −257,0 −255,3
Mcx, кН·м/м 198,0 201,1 190,3 191,7
Mcy, кН·м/м −110,4 −110,8 −105,7 −107,5

Деформации у граней и угол главных осей в крайних слоях.

Величина Статья Парабола (OpenCS) L2 L3 ЕКБ
ε2 на грани z = +0,75, ‰ — −0,449 −0,530 −0,270 −0,300
ε2 на грани z = −0,75, ‰ — −0,543 −0,701 −0,266 −0,319
εs арматуры x у верхней грани, ‰ 4,401 4,395 5,108 2,591 3,019
θ, слой 1, ° 0,86 0,84 0,46 1,42 1,39
θ, слой 10, ° 49,63 49,62 50,35 47,77 48,19
β в слоях 0,706 0,706 0,706 0,706…0,803 0,706…0,765

Угол главных осей и деформация εx по толщине для четырёх диаграмм бетона и по табл. 14 статьи

Арматура x у верхней грани течёт при любой диаграмме, у нижней находится на пороге текучести (fyd/Es = 2,07‰). Поэтому силы в арматуре почти не зависят от диаграммы бетона и отличаются от статьи не более чем на 2 %. Усилия в бетоне уравновешивают ту же нагрузку за вычетом арматуры и отличаются не более чем на 6 % (Ncx при L3). Все линии εx на рисунке проходят около уровня нижней арматуры z = −0,477 м при εx ≈ 2,07‰.

Кривизна κx при этом меняется в 5,5 раза — от 0,53 (L3) до 2,96‰/м (L2). Чем жёстче начальный участок диаграммы, тем меньше деформация сжатого бетона при той же силе, тем меньше кривизна и растяжение верхней арматуры. С меньшими ε1 у L3 и ЕКБ снижение прочности бетона слабее: β выше нижней границы в средних слоях. Для проверки прочности по п. 8.1.30 СП 63 это различие здесь несущественно: сжатие бетона у граней не превышает 0,71‰ при предельной 3,5‰. Для деформаций, жёсткостей и трещин выбор диаграммы при таком уровне сжатия существен.

Чувствительность к нижней границе β

В этом примере нижняя граница β ≥ 0,6/0,85 действует во всех слоях. Без неё β в сжатых слоях был бы 0,62…0,65, и результат заметно меняется:

Величина Статья OpenCS, β ≥ 0,706 OpenCS, без нижней границы
Ny по НДС статьи, кН/м −93,1 −92,9 −32,2
Mx по НДС статьи, кН·м/м −287,9 −287,9 −303,4
κx по нагрузкам, ‰/м 2,276 2,270 2,512
ε0x по нагрузкам, ‰ 3,149 3,147 3,265

Критерий прохождения

Проверка Допуск в тесте
Формула β точное совпадение с ур. (50), включая границы
Усилия по НДС статьи 1 % от наибольшего усилия группы (Nx для сил, My для моментов)
НДС по нагрузкам 2 % от компоненты + 2·10⁻⁵
Штатные диаграммы: равновесие 0,5 % от наибольшего усилия группы
Штатные диаграммы: силы в арматуре 2,5 % от табл. 15
Штатные диаграммы: θ в крайних слоях ±2,5° от табл. 14
Штатные диаграммы: предельные деформации ε2 > −3,5‰, εs < 25‰

Ограничения сверки

  • Сверяется один элемент статьи: растяжение по x, у обеих граней сжат бетон, сдвиг и кручение значительны. Элементы 2–4 статьи не рассчитывались.
  • Проверка прочности по п. 8.1.30 СП 63 со статьёй не сравнивается: в статье предельные деформации приняты по NBR 6118 (εcu = 3,5‰, εsu = 10‰) и лишь констатируется, что они не превышены.
  • Пересчёт тонн-силы в килоньютоны (1 тс = 10 кН) выведен из пика диаграммы в табл. 14; в тексте статьи он не оговорён.

Диагностика

  • Если усилия по НДС статьи не совпадают, проверьте знак z арматуры, знак κxy и то, что растянутый бетон выключен.
  • Если не совпадают только Ny и Mx, проверьте нижнюю границу β и значение εc2 (выше).
  • Если θ по слоям совпадает, а σ2 нет, проверьте вершину диаграммы: 0,85·fcd, а не fcd.