Вплив матеріалів і масштабного факторана руйнування К-подібних вузлів трубобетонних мостів: ефективністьконструктивних параметрів
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. У роботі передбачено провести аналіз напружено-деформованого стану К-подібних вузлів трубобетонних конструкцій за допомогою програмного моделювання методом скінченних елементів з урахуванням нелінійних характеристик матеріалів, що, у свою чергу, потребує оцінки впливу матеріалів і розмірів вузлів на роботу порожнистих розкосів у решітчастих конструкціях мостів. Методика. Передбачено чисельне моделювання напружено-деформованого стану К-подібних вузлів трубобетонних поясів у програмі ANSYS. Для аналізу використано два класи бетону (C16/20 і C50/60) та дві марки сталі (16Д і 10ХСНД), які змодельовано із застосуванням критерію пластичності Друкера–Прагера для бетону та інструменту багатолінійного ізотропного зміцнення для сталі. Було підготовлено 12 варіантів моделей вузлів із різними характеристиками матеріалів та двома масштабами розмірів. Для наближення до реального стану навантаження на вузли здійснено у два етапи: спочатку було завантажено пояс, а потім розкоси до їх повної відмови. Результати. Розрахунки показали, що деформування порожнистих зразків вузлів відповідає лабораторним експериментам інших авторів. Вплив бетонного заповнення на стиснуті та розтягнуті розкоси був значним, особливо для стиснутих, де ефект досяг 20,8 %. Бетон класу C50/60 не завжди поліпшує ефективність, іноді поступаючись бетону класу C16/20. Збільшення розміру вузла позитивно впливає на ефективність бетону, зокрема для стиснутих розкосів, де приріст склав до 12,3 %. Підвищення міцності сталі з 16Д до 10ХСНД для розтягнутих розкосів показало ефективність від 0 до 8,6 %, а для стиснутих – до 22,8 %. Графіки напружень уздовж зварного шва показали, що бетон допомагає рівномірно розподіляти напруження як у стиснутих, так і в розтягнутих розкосах. Наукова новизна. У роботі проведено аналіз впливу матеріалів та геометрії сталевих вузлів, частково заповнених бетоном, на роботу порожнистих розкосів, де особливу увагу приділено малодослідженому фактору розміру вузла. Практична значимість. Завдяки скінченному елементному нелінійному аналізу та застосуванню нормативних актів України і європейських стандартів, установлено принципи оптимального підбору класів бетону та сталі для трубобетонних К-подібних вузлів. Це дозволяє забезпечити надійність сучасних мостових решітчастих конструкцій, підвищити їхню ефективність та економічність.
ENG: Purpose. The paper aims to analyze the stress-strain state of K-shaped nodes of pipe-concrete structures using finite element modeling with consideration of nonlinear characteristics of materials, which, in turn, requires an assessment of the influence of materials and node sizes on the operation of hollow braces in lattice bridge structures. Methodology. Numerical modeling of the stress-strain state of K-shaped nodes of pipe concrete belts in the ANSYS program was performed. Two classes of concrete (C16/20 and C50/60) and two steel grades (16D and 10HSND) were used for the analysis, which were modeled using the Drucker-Prager plasticity criterion for concrete and the multilinear isotropic strengthening tool for steel. We prepared 12 variants of the node models with different material characteristics and two dimensional scales. To approximate the real state, the assemblies were loaded in two stages: first, the belt was loaded, and then the braces were loaded until they failed. Findings. The calculations showed that the deformation of hollow specimens of nodes corresponds to the laboratory experiments of other authors. The effect of concrete filling on compressed and tensile braces was significant, especially for compressed braces, where the effect reached 20.8%. C50/60 concrete does not always improve performance, sometimes being inferior to C16/20 concrete. Increasing the node size has a positive effect on concrete efficiency, particularly for compressed struts, where the increase was up to 12.3%. Increasing the strength of steel from 16D to 10KhSND for tensile braces showed an efficiency of 0 to 8.6%, and for compressed braces - up to 22.8%. Stress plots along the weld showed that concrete helps to distribute stresses evenly in both compressed and tensile braces. Originality. The paper analyzes the influence of materials and geometry of steel assemblies partially filled with concrete on the performance of hollow braces, with special attention paid to the little-studied factor of the assembly size. Practical value. Thanks to the finite element nonlinear analysis and the application of Ukrainian regulations and European standards, the principles of optimal selection of concrete and steel classes for pipe concrete K-shaped assemblies have been established. This makes it possible to ensure the reliability of modern bridge lattice structures, increase their efficiency and cost-effectiveness.
ENG: Purpose. The paper aims to analyze the stress-strain state of K-shaped nodes of pipe-concrete structures using finite element modeling with consideration of nonlinear characteristics of materials, which, in turn, requires an assessment of the influence of materials and node sizes on the operation of hollow braces in lattice bridge structures. Methodology. Numerical modeling of the stress-strain state of K-shaped nodes of pipe concrete belts in the ANSYS program was performed. Two classes of concrete (C16/20 and C50/60) and two steel grades (16D and 10HSND) were used for the analysis, which were modeled using the Drucker-Prager plasticity criterion for concrete and the multilinear isotropic strengthening tool for steel. We prepared 12 variants of the node models with different material characteristics and two dimensional scales. To approximate the real state, the assemblies were loaded in two stages: first, the belt was loaded, and then the braces were loaded until they failed. Findings. The calculations showed that the deformation of hollow specimens of nodes corresponds to the laboratory experiments of other authors. The effect of concrete filling on compressed and tensile braces was significant, especially for compressed braces, where the effect reached 20.8%. C50/60 concrete does not always improve performance, sometimes being inferior to C16/20 concrete. Increasing the node size has a positive effect on concrete efficiency, particularly for compressed struts, where the increase was up to 12.3%. Increasing the strength of steel from 16D to 10KhSND for tensile braces showed an efficiency of 0 to 8.6%, and for compressed braces - up to 22.8%. Stress plots along the weld showed that concrete helps to distribute stresses evenly in both compressed and tensile braces. Originality. The paper analyzes the influence of materials and geometry of steel assemblies partially filled with concrete on the performance of hollow braces, with special attention paid to the little-studied factor of the assembly size. Practical value. Thanks to the finite element nonlinear analysis and the application of Ukrainian regulations and European standards, the principles of optimal selection of concrete and steel classes for pipe concrete K-shaped assemblies have been established. This makes it possible to ensure the reliability of modern bridge lattice structures, increase their efficiency and cost-effectiveness.
Description
Д. Співак: ORCID 0000-0002-8155-7497; С. Ключник: ORCID 0000-0001-7771-8377
Keywords
режим руйнування, нелінійне моделювання, метод скінченних елементів, К-подібні вузли, мостові ферми, решітчасті конструкції, трубобетон, failure mode, nonlinear modeling, finite element method, K-shaped assemblies, bridge trusses, lattice structures, tubular concrete, КТІ ДІІТ
Citation
Співак Д. С., Ключник С. В. Вплив матеріалів і масштабного факторана руйнування К-подібних вузлів трубобетонних мостів: ефективність конструктивних параметрів. Наука та прогрес транспорту. 2025. № 1. С. 152–169. DOI: 10.15802/stp2025/324909.