Определение температурных напряжений при возведении монолитных толстостенных цилиндрических оболочек

Введение. Толстостенные цилиндрические оболочки широко используются в гидротехнических сооружениях, защитных конструкциях реакторов АЭС, пусковых установках ракетных комплексов. В массивных монолитных конструкциях вследствие внутреннего тепловыделения бетона высок риск раннего трещинообразования. Для разработки мероприятий по его предотвращению могут быть применены методы компьютерного моделирования. Ранее моделирование температурных напряжений в процессе возведения выполнялось для массивных фундаментных плит и стен, однако толстостенные цилиндрические оболочки не рассматривались. Целью работы выступает разработка методики расчета температурных напряжений при возведении монолитных толстостенных цилиндрических оболочек.

Материалы и методы. Расчет напряжений выполняется в одномерной осесимметричной постановке. Учитывается зависимость механических характеристик бетона от степени его зрелости. Задача расчета напряженно-деформированного состояния (далее — НДС) сводится к дифференциальному уравнению второго порядка относительно радиального напряжения, которое решается численно методом конечных разностей. Расчету НДС предшествует расчет температурного поля, которое считается не зависящим от напряженного состояния. Численное решение реализовано авторами в среде MATLAB. 

Результаты исследования. Первым этапом для апробации разработанной методики выполнено сравнение с расчетом в программном комплексе ANSYS при постоянном во времени модуле упругости бетона, которое подтвердило ее достоверность. Также приведены результаты расчета с учетом зависимости модуля упругости бетона от степени его зрелости. При этом, по сравнению с расчетом при постоянных во времени механических характеристиках бетона, картина напряженно-деформированного состояния кардинально меняется.

Обсуждение и заключение. Расчет с постоянным во времени модулем упругости бетона в стандартных программных комплексах по сравнению с авторской методикой приводит к завышенным значениям окружных напряжений, а также не позволяет вычислить остаточные напряжения. В случае постоянного во времени модуля упругости бетона температурные напряжения являются полностью обратимыми.

1. Hassanli R,Youssf O, Manalo A., Najafgholipour M.A, Elchalakani M., Castillo ER, et al. An Experimental Study of the Behavior of GFRP-Reinforced Precast Concrete Culverts. Journal of Composites for Construction. 2022;26(5):04022043. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0001224

2. Дорф В.А., Пергаменщик Б.К. Совершенствование технологии устройства сухой защиты шахты реактора АЭС. Вестник МГСУ. 2021;16(4):506–512. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.4.506-512

3. Singh L, Ravaliya NR, Akbar MA. Analysis of Reinforced Concrete Structures for Accidental Blast during Launching of a Rocket. INCAS Bulletin. 2021;13(3):195–204. https://doi.org/10.13111/2066-8201.2021.13.3.16

4. Alamayreh MI, Alahmer A, Younes MB, Bazlamit SM. Pre-Cooling Concrete System in Massive Concrete Production: Energy Analysis and Refrigerant Replacement. Energies. 2022;15(3):1129. https://doi.org/10.3390/en15031129

5. Aniskin NA, Chuc NT, Khanh PK. The Use of Surface Thermal Insulation to Regulate the Temperature Regime of a Mass Concrete During Construction. Power Technology and Engineering. 2021;55:1–7. https://doi.org/10.1007/s10749-021-01310-6

6. Smolana A, Klemczak B, Azenha M, Schlike D. Early Age Cracking Risk in a Massive Concrete Foundation Slab: Comparison of Analytical and Numerical Prediction Models with On-Site Measurements. Construction and Building Materials. 2021;301:124135. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124135

7. Liu J, Tian Q, Wang Y, Li H, Xu W. Evaluation Method and Mitigation Strategies for Shrinkage Cracking of Modern Concrete. Engineering. 2021;7(3):348–357. https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.01.006

8. Zheng Z, Wei X. Mesoscopic Models and Numerical Simulations of the Temperature Field and Hydration Degree in Early-Age Concrete. Construction and Building Materials. 2021;266:121001. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121001

9. Klemczak B, Żmij A. Insight into Thermal Stress Distribution and Required Reinforcement Reducing Early-Age Cracking in Mass Foundation Slabs. Materials. 2021;14(3):477. https://doi.org/10.3390/ma14030477

10. Smolana A., Klemczak B., Azenha M., Schlike D. Experiences and Analysis of the Construction Process of Mass Foundation Slabs Aimed at Reducing the Risk of Early Age Cracks. Journal of Building Engineering. 2021;44:102947. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102947

11. Kheir J, Klausen A, Hammer TA, De Meyst L, Hilloulin B, Van Tittelboom K, et al. Early Age Autogenous Shrinkage Cracking Risk of an Ultra-High Performance Concrete (UHPC) Wall: Modelling and Experimental Results. Engineering Fracture Mechanics. 2021;257:108024. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.108024

12. Chepurnenko A, Litvinov S, Meskhi B, Beskopylny A. Optimization of Thick-Walled Viscoelastic Hollow Polymer Cylinders by Artificial Heterogeneity Creation: Theoretical Aspects. Polymers. 2021;13(15):2408. https://doi.org/10.3390/polym13152408

13. Зоалкфл Д.А., Курачев Р.М., Чепурненко А.С. Определение температурных полей при возведении монолитных толстостенных цилиндрических оболочек. Вестник Евразийской науки. 2023;15(2):80SAVN223. URL: https://esj.today/PDF/80SAVN223.pdf (дата обращения: 1.04.2024).

14. Несветаев Г.В., Корянова Ю.И. Прогноз кинетики прочности бетона при твердении в условиях, отличных от нормальных. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2023;2(4):59–68. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2023-2-4-59-68

15. Маилян Д.Р., Несветаев Г.В. Регулирование жесткости и прочности железобетонных балок варьированием модуля упругости бетона. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018;20(4):86–93. https://doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-4-86-93

16. Nesvetaev G, Koryanova Y, Zhilnikova T. On Effect of Superplasticizers and Mineral Additives on Shrinkage of Hardened Cement Paste and Concrete. MATEC Web of Conferences. 2018;196:04018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819604018