Numerische Studie an bestehenden RC-Bauteilen mit kreisförmigem Querschnitt unter ungleicher Stoßkollision

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14793 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In den letzten Jahren kam es häufiger denn je zu Verkehrsunfällen und entgleisten Zügen, die zu einigen wirtschaftlichen Schäden und Opfern führten. Bei Konstruktionen aus Stahlbeton (RC) kommt es häufig zu Unfällen mit entgleisten Zügen und Fahrzeugen. Solche Seitenkollisionen wurden in früheren Studien selten untersucht. Zu diesem Zweck werden in diesem Artikel hochpräzise, auf Simulationen basierende Finite-Elemente-Modelle (FE) erstellt, um die Kollision kreisförmiger RC-Elemente mit einem entgleisten Zug genau zu simulieren. Die Tragkonstruktion aus Stahlbeton ist in Hochgeschwindigkeitsbahnhöfen üblich. Die Aufprallenergie des Aufprallkörpers ist erheblich und führt zum Versagen von Bauteilen. Es analysiert das dynamische Verhalten von Stahlbetonbauteilen bei Stoßbelastungen mit unterschiedlichen Spannweiten. Numerische Implementierungen von Impaktproblemen werden aus der Perspektive der Geometrie-, Kontakt- und Materialeigenschaften diskutiert. Die Zuverlässigkeit und Präzision des ABAQUS-Codes zur Lösung von Aufprallproblemen wird durch den Vergleich der experimentellen Ergebnisse von Fehlermodi, Aufprall und Ablenkungszeitverlauf überprüft. Durch die Analyse der Aufprallreaktionseigenschaften wurden die Kontrollvariablen verwendet, um den Ausfallprozess und -modus zu untersuchen (einschließlich der Eigenschaften der Aufprall- und Reaktionskräfte, der Ablenkungs-Zeitverlaufskurve, der Aufprallkraft-Ablenkungs-Kurve und der Lagerreaktionskraft-Ablenkungs-Kurve). Der Bewehrungsanteil, die Aufprallgeschwindigkeit, die Betonfestigkeit und das Schlankheitsverhältnis haben einen erheblichen Einfluss auf das Scherrissmuster und die Scherrissentwicklung. Änderungen der Aufprallgeschwindigkeit und des Schlankheitsverhältnisses wirken sich auch auf die Versagensarten der Bauteile aus.

Stahlbetonkonstruktionen sind bei normalem Gebrauch oder bei Naturkatastrophen anfällig für Stöße, wie z. B. den Aufprall verschiedener Fahrzeuge auf die Pfeiler städtischer Überführungen und Fußgängerbrücken, den Aufprall auf Parkhaussäulen, den Aufprall von Schiffen auf Brückenpfeiler, Hafeninfrastruktur usw. und entgleiste Zug auch auf U-Bahn-Stationsgebäude. Diese Einwirkungen führen manchmal nicht nur zu lokalen Schäden am Bauwerk, sondern können sogar zum Einsturz des gesamten Gebäudes führen, was zu unkalkulierbaren Verlusten und wirtschaftlichen Verlusten führt. Während der Lebensdauer sind die Stahlbetonkonstruktionen häufig plötzlichen Belastungen wie Stößen, Erdbeben und Explosionen ausgesetzt.

Die Festigkeit, Verformung, Elastizität und die Begrenzungswirkung werden durch die Änderungen des Querschnitts, der Bewehrung und des Breiten-zu-Dicken-Verhältnisses der Bauteile unter den seitlichen Stoßbelastungen beeinflusst1,2,3,4. In der bisherigen Literatur wurden einige Untersuchungen zu diesen Faktoren durchgeführt. Die Auswirkungen der geometrischen Formparameter (kreisförmige, sechseckige, rechteckige und quadratische Abschnitte)5,6,7,8,9 auf die Materialeigenschaften der hohlen Stahlrohre und CFST-Proben, die axialen Kompressionstests unterzogen wurden, wurden untersucht10,11,12 ,13,14,15,16. Die Ergebnisse zeigten, dass die kreisförmigen Proben hinsichtlich der Axialspannung und Duktilitätswerte die idealen Proben sind.

Hu et al.17 untersuchten die begrenzenden Wirkungen betongefüllter Stahlrohrsäulen unter axialer Kompression aufgrund der Änderung der Querschnittsform. Das runde Stahlrohr hat eine stärkere Einschlusswirkung auf den Beton als der quadratische Querschnitt. Es ist weniger anfällig für lokales Knicken, insbesondere wenn das Verhältnis von Breite zu Dicke des Querschnitts relativ klein ist. Es zeigt sich, dass hohle Stahlbetonstützen bei gleicher Querschnittsfläche aufgrund ihrer relativ großen Torsionssteifigkeit weniger anfällig für Torsion sind als massive Stahlbetonstützen. Die Strukturstabilität kann bei Einwirkung äußerer Belastungen wirksam verbessert werden18.

Mittlerweile könnten speziell geformte Stahlbetonstützen in der Regel die Anforderungen der Gebäudefunktionen erfüllen. Die Versagensarten von Stahlbetonbauteilen bei seitlicher Einwirkung sind sehr unterschiedlich. Der Versagensmodus von Stahlbetonträgern ändert sich allmählich von Biegeversagen zu Scherversagen, wenn die Aufprallgeschwindigkeit zunimmt19,20,21, wobei an der Aufprallstelle in der Mitte der Probe mit einem Kurzschluss besonders starke Diagonalrisse und Durchstanzversagen entstehen Zeit, wenn es zu einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit kommt22,23.

Während die Stahlbetonbauteile in der Regel große Verformungen am Aufprallpunkt mit ungleicher Aufpralllastposition erzeugen, tritt beim Stahlbewehrungsstab ein Biegeriss auf1,2,3,24,25.

Außerdem untersucht eine andere Studie, wie effektiv die Schubverstärkung als Sanierungsstrategie für „nachgespannte“ PT-Platten ist, die durch herabfallende Felsbrocken beschädigt wurden. Nach dem Unfall wurden beide Platten wieder aufgebaut, indem beschädigte Komponenten ausgetauscht und Scheranker angebracht wurden, um künftige Einstürze zu verhindern.

Im Anschluss an die Reparaturen wurde der Schlagversuch durchgeführt und sowohl die Durchstanzfestigkeit als auch die Normalspannungen gemessen26. Die Explosion in Beirut am 4. August 2020 gilt als Fallstudie einer Strukturbautechnik, bei der nichtlineare rechnerische Finite-Elemente-Modellierung der Silos zum Einsatz kommt.

Ziel dieser Studie ist es, die strukturelle Reaktion von Getreidesilos auf enorme Explosionslasten zu bewerten. Die Größe der Explosion wird als die Größe des Computermodells definiert, die den gleichen Siloschaden und die gleichen Schwankungen verursacht, die vor Ort beobachtet wurden. Darüber hinaus wurden die Schäden an den Standsilos bewertet und abschließende Vorschläge von Yehya Temsah et al.27 gemacht. In der Vergangenheit wurden experimentelle, analytische und numerische Studien durchgeführt, um das Verhalten der RC-Säulen unter den durch Fahrzeugkollisionen verursachten Stoßbelastungen zu bestimmen. Für die numerische Analyse ist der Stoffzusammenhang (Materialebene) unter dynamischer Materialbelastung wichtig. Es gibt einen erheblichen Unterschied zwischen den mechanischen Eigenschaften von Stahlstäben unter dynamischer und statischer Belastung. Stahl hat unter dynamischer Belastung einen offensichtlichen Einfluss auf die Dehnungsrate.

Um den Dehnungsrateneffekt von Stahlstäben unter dynamischer Belastung zu beschreiben, haben Wissenschaftler verschiedene konstitutive Modelle von Stahlstäben unter Berücksichtigung des Dehnungsrateneffekts vorgeschlagen. Unter ihnen sind das Cowper-Symonds-Modell28 und das Johnson-Cook-Modell29 von Wissenschaftlern weithin anerkannt. Sobald die Dehnungsrate unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, nimmt das Wachstum der Druckfestigkeit ab, und wenn die Dehnungsrate diesen kritischen Wert überschreitet, steigt die Wachstumsrate der Druckfestigkeit schnell an. Atchley und Furr30 führten dynamische und statische Drucktests an Betonzylindern durch und stellten fest, dass die Endfestigkeit nicht zunimmt, wenn die Dehnungsrate ein bestimmtes Niveau erreicht.

Wu et al.31 sowie Yan und Lin32 fanden heraus, dass sich die Oberfläche des Betonzugrisses bei schneller wechselnder Belastung gerader entwickelt, wodurch der Riss gezwungen wird, Bereiche mit größerem Widerstand, wie z. B. Zuschlagstoffe, zu durchqueren. Daher ist ein höheres Spannungsniveau erforderlich, um zum Versagen der Probe zu führen. Die gleiche Kontroverse besteht immer noch hinsichtlich des Dehnungsrateneffekts der dynamischen Zugfestigkeit von Beton. Cotsovos und Pavlovic33 glauben, dass der Anstieg der Zugfestigkeit bei hohen Dehnungsgeschwindigkeiten eher mit dem Trägheitseffekt der Struktur als mit dem tatsächlichen Verhalten des Materials zusammenhängt. Lu und Li34 bewiesen durch numerische Simulationen, dass das Modell die Festigkeit aufgrund der Erhöhung der Dehnungsrate nicht erhöhte. Daher ist die im dynamischen Test beobachtete Erhöhung der Betonzugfestigkeit das tatsächliche Verhalten des Materials.

Liu et al. untersuchte die dynamische Reaktion und den Versagensmodus von Stahlbetonbauteilen. Die FRP-Bewehrung kann die Versagensart von Bauteilen sowohl in der experimentellen als auch in der Finite-Elemente-Analyse verändern. Nach dem Einwickeln in FRP-Schichten wird das Scherversagen von RC-Elementen zu einem Biegeversagen4. Abas et al. untersuchte die Reaktion von vier quadratischen RC-Elementen auf eine seitliche Kraft. Zur Vorhersage der Auswirkungen auf RC-Mitglieder wurde ein Finite-Elemente-Modell vorgeschlagen. Die Ergebnisse könnten die Widerstandsfähigkeit von RC-Mitgliedern gegen Schäden verbessern3.

Cai et al.35 verwendeten ABAQUS, um die dynamische Reaktion von 7 Stahlbetonbauteilen mit einer Querschnittsgröße von 150 mm × 150 mm unter horizontalen Stoßbelastungen mit niedriger Geschwindigkeit zu simulieren. Die Autoren untersuchten den Einfluss der Aufprallmasse und -geschwindigkeit auf die Versagensart von Bauteilen. Es wurde festgestellt, dass der Trägheitseffekt einen erheblichen Einfluss auf die Schlagfestigkeit des Elements hat. Shen et al.36 nutzten die Finite-Elemente-Modellierung, um den Seitenaufprallunfall des Brückenkahns zu analysieren und zu reproduzieren und seine Ursachen zu untersuchen. Die FE-Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Brücke aufgrund eines Biegeversagens der Längspfahlgründung einstürzte, was mit der Felduntersuchung zusammenfiel. Seitliche Kollisionen sind schlimmer als Frontal- und Schrägcrashs.

Darüber hinaus wurden unter Verwendung der getesteten Proben und vergleichbarer Proben, die in der Literatur verfügbar sind3,4, die Finite-Elemente-Modelle (FE) der RC-Mitglieder entwickelt und verifiziert. Die Auswirkungen des Längsbewehrungs- und Bügelverhältnisses, der Aufprallgeschwindigkeit, der Betonfestigkeit und des Schlankheitsverhältnisses auf die dynamischen Reaktionsparameter der RC-Teile unter ungleichen seitlichen Stoßbelastungen wurden anhand der verifizierten Modelle weiter untersucht. Die Ergebnisse der Studie werden zur Entwicklung von Entwurfsvorschriften für RC-Elemente beitragen, die ungleichen Stoßbelastungen ausgesetzt sind.

Diese Forschung untersucht die numerische Untersuchung der dynamischen Reaktion und des Versagensmechanismus bestehender RC-Rundelemente bei Zugkollisionen mit ungleichem Aufprall auf die in der Arbeit des Autors berichteten experimentellen Ergebnisse37. Zur besseren Übersichtlichkeit werden in Tabelle 1 die prägnanten Eigenschaften der Proben beschrieben. Die in der Praxis beobachteten Verformungen werden bei der Simulation berücksichtigt.

Beginnend mit dem Aufprallkörper und den Testproben und abschließend mit der Beschädigung der Proben, befasst sich dieser Teil eingehend mit dem Rissentwicklungsprozess jeder Probe und verwendet dabei die verschiedenen Erklärungen der Rissmodi aus der experimentellen Arbeit37. Die folgenden Abbildungen zeigen die von einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasste Rissentwicklungsform für jede Probe und beschreiben, wo sich der Riss entwickelt. Aufgrund der Begrenzung des Abbildungsabstands (z. B. Bereich mit kurzer Spannweite) konnte nur die rechte Seite der Probe abgebildet werden. Der frühe Aufprallriss war schwer zu erkennen und mit Pfeilen markiert. Der Pfeil zeigte in die gleiche Richtung wie der Riss. Die Hochgeschwindigkeitskamera dokumentierte die Zerstörung jedes Elements in Abb. 1. Wie in der Abbildung gezeigt, versagen alle Proben unter Scherung, wobei das obere Ende der Bruchfläche in der Nähe des Aufprallpunkts liegt und das untere Ende von den Eigenschaften der Probe abhängt.

YH1-Crack-Entwicklungsprozess.

Die Versagensfläche von YH1 ist am weitesten von der Unterseite der nahen Unterstützung entfernt. Die Probe wird stark beschädigt, jedoch nur zwischen dem Auftreffpunkt und der beschädigten Oberfläche. Die Bruchfläche von YH2 verschwindet vollständig an der Unterseite des Trägers und der Riss setzt sich im Träger fort. Nach der Kollision wird der Beton stark beschädigt und zerkleinert, und der feste Teil der Stütze wird ein Stück nach außen gedrückt. Die untere Bruchfläche von YH3 liegt innerhalb der Scherspanne, näher an der Stütze als YH1. Der Beton von der rechten Seite bis zur Bruchfläche brach zusammen, aber die Stahlstangen hielten stand. Die Rissversagensoberfläche von YH4 dehnte sich aus und der untere Beton der Probe war in Längsrichtung gespalten. Der Beton zwischen der Einschlagstelle und der Stütze wurde auf der rechten Seite der Einschlagstelle zertrümmert. Die Stahlstange schiebt die Stütze ein Stück nach außen, wodurch der Beton zwischen dem Aufprallpunkt und der Stütze zerquetscht wird und der herausgedrückte Beton in der Stütze schwere Risse bekommt. Die Bruchflächen von YH2 und YH4 verschwinden vollständig an der Unterseite der Stütze und der Riss setzt sich in der Stütze fort. Zhao et al.38 postulierten, dass Scherrisse in schlanken Balken mit einem signifikanten Scherkraftverhältnis auf drei Arten auftreten könnten.

Die Aufprallhöhe und das Verstärkungsverhältnis können die Beschädigung der Probe verringern. Eine Erhöhung des Bügelverhältnisses hat kaum Einfluss auf den anfänglichen Aufprall auf die Probe, kann jedoch den Grad der Betonzerkleinerung verringern. Das Experiment zeigt, dass der Winkel des Scherrisses mit der Steifigkeit und der Aufprallgeschwindigkeit der Probe zusammenhängt.

Nutzen Sie ABAQUS, um die Ergebnisse des Experiments zu simulieren. Es befasst sich hauptsächlich mit der nichtlinearen dynamischen Analyse und stellt als Nebeneffekt Funktionen für die statische Analyse bereit. Der Schwerpunkt dieser Fachgebiete liegt vor allem auf der Strukturanalyse, die für ihre große Genauigkeit bei der Simulation und Berechnung sowie ihre Fähigkeit, mögliche Ergebnisse vorherzusagen, bekannt ist.

Das Finite-Elemente-Analyseprogramm ABAQUS (Revision 2020) wurde zur Modellierung des nichtlinearen Verhaltens von Bauteilen mit ungleicher seitlicher Stoßbelastung verwendet. Die Hauptziele der FEM bestehen darin, ein alternatives Werkzeug einzuführen, das in der Analyse oder im Design verwendet werden kann, und die experimentellen Arbeiten zu verifizieren. Die Finite-Elemente-Simulation bestand aus drei Stufen. Die erste Stufe definiert das Modul, die Baugruppe und die Netzgeometrie. In der zweiten Phase werden alle Definitionseigenschaften, Interaktionskontakte und Randbedingungen der Materialmodellierung berücksichtigt. Anschließend wählen Sie in der dritten Stufe die Ausgabeergebnisfelder entsprechend den Forschungsparametern aus.

Um das Verhalten von Stahlbeton in diesem Artikel unter dynamischen Belastungsbedingungen zu simulieren, wird auf das Betonschadensplastizitätsmodell (CDP) zurückgegriffen, das in den kürzlich abgeschlossenen Studien im Zusammenhang mit der Entwicklung von Originalmodellen (CDP) zur Bestimmung der Betonschadensplastizität eine bahnbrechende Bilanz vorweisen kann Schädigung von Stahlbeton in der Simulationssoftware ABAQUS. Für Finite-Elemente-Modelle wird der Einfluss der Netzgröße auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven auf das Druck- und Zugverhalten während der Erweichungsphase berücksichtigt (falls die Spannung ihren Spitzenwert erreicht). Die Spannungs-Dehnungs-Kurven im CDP-Modell haben viele Vorteile gegenüber den kürzlich veröffentlichten Ergebnissen früherer Studien. Gleichzeitig wird eine Exponentialfunktion verwendet, um die Werte der Variablen Zugschaden (dt) und Kompression (dc) zu ersetzen, die in früheren Studien39,40,41,42,43 erwähnt wurden. Die dynamischen Fälle haben die Besonderheit, dass der dynamische Erhöhungsfaktor (DIF) gemäß den Angaben in fib MODEL CODE 2010 (MC2010)44 verwendet wird, um den Einfluss der Dehnungsrate auf die Druckfestigkeit von Stahlbeton zu bestimmen. Um die Zuverlässigkeit und Wirksamkeit des vorgeschlagenen Modells zu ermitteln, wird eine numerische Simulation dynamischer Drucktests implementiert. Das CDP-Modell der Studie stimmt mit experimentellen Daten für dynamische Belastungsfälle mit erheblicher Zuverlässigkeit überein43. Betongeschädigte Plastizität (CDP) ist ein bekanntes ABAQUS-Software-Materialmodell für einfachen und bewehrten Beton. Lubliner et al.45, Lee und Fenves46 und andere haben es charakterisiert. Dieses Modell erfordert Werte einiger Materialkonstanten. Korrekte Materialkonstantenwerte sind eine offene wissenschaftliche Frage47. Der Einsatz von Software bei der Durchführung von Aufprall- und Explosionsforschung ist unerlässlich. Dadurch können Forscher den Schadens- und Zerstörungsprozess von Beton bei einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit besser veranschaulichen und gleichzeitig den Effekt der Dehnungsrate des Betons berücksichtigen48. Abbildung 2a zeigt die Druckspannungs-Dehnungs-Kurve unter Verwendung des konstitutiven Modells von Saenz49. In diesem Stoffmodell von Saenz wird angenommen, dass die Verfestigungs- und Erweichungszweige einem parabolischen Trend folgen. Das Spannungsverhalten wird mithilfe der exponentiellen Spannungsversteifungskurve von Hsu und Mo50 untersucht, wie in Abas et al.3 berichtet. Der Schwächungsfaktor (n) des RC-Elements beträgt 0,5, was auf dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Betons basiert, wie in Abb. 2b dargestellt.

Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Betons.

Die Elementtypen in der ABAQUS-Software sind in Tabelle 2 und die Eingabeparameter in Tabelle 3 aufgeführt. Dieses Papier ist Teil eines großen Projekts mit unterschiedlichen Details zu Formen und Probenabmessungen. Dennoch ähneln die Definition des Beton- und Stahlkonstitutivmodells, die Auswirkungen der Dehnungsraten und die Modellierungsmethoden der früheren Arbeit des Autors3,24.

Abbildung 3a zeigt die in ABAQUS für die Strukturanalyse entwickelten Modelle von Beton, Stahlstäben, Bügeln, Aufprallkörpern und Randstützen. Zur Aufteilung aller Modelle werden Hexaedernetze verwendet. Die Dichte des Finite-Elemente-Gitters hat erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Berechnungen. Obwohl allgemein anerkannt ist, dass ein dichteres Gitter eine genauere numerische Simulation liefert, ist die Konstruktion des dichten Gitters sehr zeitaufwändig.

(a) FEM-Modellierungsbaugruppe; (b) FEM-Vernetzung.

Daher ist Konvergenz für die Genauigkeit von Lösungen, die mit numerischen Modellen erzielt werden, von entscheidender Bedeutung. Bei der Anwendung expliziter FEA-Techniken können grobe Netze zu ungenauen Analysen führen3. Aufgrund der Sensitivität der Netzdichte, die die Ergebnisse des numerischen Modells erheblich beeinflusst, werden vier verschiedene Netzdichten getestet, und es gibt keine Konvergenz zwischen den Ergebnissen. Daher wurde nach einem Konvergenzanalysetest die Kantenlänge des Betonelements sowohl in Längs- als auch in Radialrichtung auf 5 mm festgelegt. Die Ergebnisse der Netzdichtestudie sind in Abb. 4 dargestellt. Die Daten wurden mit verschiedenen Geräten gesammelt und die FE-Analyse wurde auf einem Computer durchgeführt, der mit Intel i9-Prozessoren ausgestattet war, wie zuvor angegeben (CPUs). Der Software zufolge betrug die voraussichtliche Zeit, die zur Nachbildung eines Aufprallszenarios von 0,06 s in ABAQUS mit einem Intervall von 6000 erforderlich war, etwa 6 h. Daher werden die Netze im in dieser Arbeit vorgestellten Finite-Elemente-Modell lokal um den Aufprallbereich herum verfeinert, der sich in Längsrichtung des Bauteils befindet, wie in Abb. 3b dargestellt. Um sicherzustellen, dass sich die drei Materialien Beton, Längsbewehrung und Bügel während des gesamten Aufprallprozesses immer in einem einzigen Knotenzustand befinden. Die Rasterdichte der Längsbewehrung, des Betons und der Bügel muss entlang der Längsrichtung des Bauteils gleich sein. Andererseits ist der Rest des Netzes viel spärlicher verteilt. Der Fallhammer verformt sich während des Aufpralls, der einem starren Körper nahe kommt, nur sehr wenig, sodass er in der Finite-Elemente-Simulation1,3,36,51 als starrer Würfel mit einer Querschnittsgröße von 80 mm × 30 mm betrachtet wird. im Einklang mit der Querschnittsgröße des Schlagkörpers im Test. Als Ergebnis dieser Behandlung kann die Analysezeit, die für den Kontakt des Fallhammers mit RC-Kollisionssimulationen erforderlich ist, um 43 % reduziert werden. Die Festlagerstütze liegt im Test ebenfalls nahe an einem starren Körper, sodass sie im Finite-Elemente-Modell als starre kreisförmige Hülse mit einer Dicke von 30 mm betrachtet wird. Für beide Seiten des Elements legt ENCASTRE (was bedeutet, dass es vollständig eingebaut ist (U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0)52) die Randbedingungen als feste Unterstützung fest. Alle Elementknoten auf der Stützhülse sollten über translatorische und rotatorische Freiheitsgrade verfügen, die in X-, Y- und Z-Richtung eingeschränkt sind. Im Test wurde ein freier Fall von einer 2 m hohen Schiene durchgeführt, wobei das Fallgewicht an dieser Stelle mit dem Bauteil in Kontakt kam. Es ist möglich, die Rechenzeit und die Dateigröße zu reduzieren, indem man das fallende Gewicht 0,1 mm vom Aufprallort entfernt fallen lässt und dann simuliert, wie das Gewicht aufprallt, indem man in der Software eine Anfangsgeschwindigkeit für das fallende Gewicht angibt.

Netzkonvergenzanalyse.

Die numerische Simulation stößt bei der Modellierung von Kontaktdefinitionsflächen auf eine weitere erhebliche Hürde. Die Kontaktinteraktionsalgorithmen in ABAQUS/Explicit sind in zwei Kategorien unterteilt3. Die Definition (SURFACE_TO_SURFACE_CONTACT) wird zwischen dem Stab und dem fallenden Gewicht übernommen. Diese Option nutzt fortschrittliche Erkennungsalgorithmen, um den Kontakt aufrechtzuerhalten. Der kinematische Algorithmus PURE MASTER SLAVE HARD simuliert das Kontaktverhalten zwischen starren und verformbaren Körpern. Im Vergleich zur quasistatischen Belastung ist die endgültige dynamische Bindung beim Versagen um 70–100 % höher53. Die Verformung des Stahls erfolgt etwas unterhalb des Aufprallpunktes54. Die erforderliche Zeit, um ein beträchtliches Abgleiten der Bindung an der Stahlstange zu bewirken, ist unzureichend. Während des Aufprallvorgangs ist der Schlupf zwischen der Stahlstange und dem Beton sehr gering. Es hat nur geringe Auswirkungen auf die Aufpralldynamik der Mitglieder und wird daher über eine Technik berücksichtigt, deren Reaktion verwendet wird, um die translatorischen Freiheitsgrade der eingebetteten Knoten einzuschränken. Diese Einschränkungstechnik heißt EMBEDDED_ELEMENTS. Der Overlay-Ansatz führt Positionsbeschränkungen ein, sofern Knoten des Betonteils und des Bewehrungsteils zusammenfallen55.

Die ABAQUS-Modellparameter wurden an vier Proben numerisch validiert. Der Versagensmodus, die Aufprallkraft und die Durchbiegungs-Zeit-Verlaufskurve der Struktur werden validiert.

Abbildung 5 vergleicht das Dehnungsdiagramm des Mitglieds bei 0,8 ms mit dem experimentellen Verhalten bei 0,8 ms, das mit der Finite-Elemente-Technik erstellt wurde. Abbildung 6 vergleicht den endgültigen Versagensmodus des Mitglieds. Bei 0,8 ms entspricht der Bereich mit der größten Dehnung des Elements in der Abbildung dem Bereich mit der stärksten Betonschadenentwicklung des Tests, dargestellt durch Biege- und Scherversagen am Aufprallpunkt des Elements und Biegeversagen an der Stütze und dem Aufprallpunkt am rechten Ende. Der endgültige Versagensmodus zeigt, dass Scherversagen bei allen Bauteilen unmittelbar nach dem Aufprall vorherrscht. Zwischen dem Aufprallpunkt und der Bruchfläche kommt es zu schweren Schäden. Es zeigt, dass das Finite-Elemente-Modell genauer ist.

Vergleicht das Fehlermodusdiagramm des 0,8-ms-Testprozesses.

Vergleich der endgültigen Fehlermodi.

Abbildung 7 vergleicht die experimentellen und simulierten Werte der Durchbiegungszeitverlaufskurve des Mitglieds. Der Kontrast zwischen dem Testwert und dem simulierten Wert der Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurve des Mitglieds ist in Abb. 8 dargestellt. Wie in Abb. 7 gezeigt, ist die Erfassungszeit für alle Mitglieder im Test wesentlich schneller als in der Simulation. Da der Umlenksammelpunkt genau unterhalb des Betonauftreffpunktes liegt. Der Beton unterhalb des Aufprallpunkts und auf der rechten Seite des Bauteils hat sich abgeschält oder ist gebrochen, was während des Tests zu einer unvollständigen Verlaufskurve der Durchbiegungszeit führte. Wenn die experimentellen Durchbiegungsdaten nicht erfasst werden können, wird der experimentelle Durchbiegungswert mit dem simulierten Durchbiegungswert verglichen, um die relative Ungenauigkeit zu berechnen. Tabelle 4 zeigt das Berechnungsergebnis. Die Ergebnisse zeigen, dass die Durchbiegungsänderungsrate jedes Mitglieds gleich ist, bevor die Testdatenerfassung fehlschlägt.

Vergleich der Ablenkungszeitverlaufskurven.

Vergleich der Aufprallkraft-Zeitverlaufskurven.

Die Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurve jedes Mitglieds zeigt das gleiche Änderungsmuster in Abb. 8. Ein Vergleich der Spitzen- und Plateauwerte des Tests mit den simulierten Werten ergibt einen relativen Fehler. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ungenauigkeit weniger als 15 % beträgt, was akzeptabel ist. Abhängig von der Gesteinskörnungsdicke um die Aufprallstelle herum kann die lokale Steifigkeit schwanken, wodurch die maximale Aufprallkraft leicht unterschiedlich ausfällt. Die Beton- und Stahlstangenkomponenten werden jedoch ungültig und mithilfe finiter Elemente eliminiert. Diese Konfiguration ist nicht genau und führt zu Fehlern beim Aufprallkraftplateau.

Stahlbetonbauteile, die seitlichen Stößen ausgesetzt sind, werden in diesem Abschnitt mithilfe finiter Elemente in drei Dimensionen modelliert. Beton, Stahlstangen und der Kontakt zwischen Teilen werden im Modell berücksichtigt. Durch die Simulation des Versagens jedes getesteten Teils wird das dreidimensionale Betonelement durch die maximale Hauptdehnung kontrolliert, während ein Stahlstab durch die effektive plastische Dehnung kontrolliert wird. Der Versagensmechanismus, die Aufprallkraft und die Ablenkungszeitverlaufskurven des Modells wurden bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass das in dieser Studie entwickelte Finite-Elemente-Modell die mechanischen Eigenschaften und Versagensmechanismen von Stahlbetonbauteilen unter seitlichen Stoßbelastungen mit ungleicher Spannweite angemessen vorhersagt. Dieses Modell kann für weitere Untersuchungen verwendet werden.

Die Testergebnisse beschreiben die Versagensarten von Stahlbetonbauteilen nach ungleichen Schlag- und Krafteigenschaften auf der Spannweite. Die Auswirkung zahlreicher Variablen auf die Schlagfestigkeit der Elemente ist aufgrund der begrenzten Anzahl von Testelementen nicht genau bekannt. Der Abschnitt FEM-Modellvalidierung demonstriert die Gültigkeit des Finite-Elemente-Modells und erklärt, warum es geeignet ist. Die Variablen im Test werden zusammen mit dem Finite-Elemente-Modell ausgewertet, um die dynamische Reaktion von Stahlbetonbauteilen unter dem seitlichen ungleichen Hochgeschwindigkeitsaufprall und die Aspekte, die nicht im Test berücksichtigt wurden, besser zu verstehen. Um diese Parameter zu analysieren, wird eine Variable verändert. Einige zu berücksichtigende Variablen sind Stahlverhältnis, Betonfestigkeit, Aufprallgeschwindigkeit, Bügelverhältnis und Schlankheitsverhältnis.

Die Erhöhung des Längsbewehrungsverhältnisses von Betonbauteilen innerhalb eines Bereichs kann die Steifigkeit verbessern, das Auftreten von Brüchen minimieren und die Rissausbreitung verringern. Eine Erhöhung des Längsbewehrungsverhältnisses auf das (2,76-fache) des Originals kann die Betonzerkleinerung und -beschädigung erheblich verringern. Hier wird gezeigt, wie eine Änderung des Längsbewehrungsdurchmessers den Bewehrungsanteil der Bauteile verändert und wie sich dies auf deren Leistungsmechanismus auswirkt. Gemäß den experimentellen Testdaten25 gibt es zwei Arten von Längsverstärkungsverhältnissen, YH1, YH2 und YH4, mit 6ø6 (Verstärkungsverhältnis von 1,67 %). Ein weiterer Typ ist YH3 mit 6ø10 (Verstärkungsverhältnis 4,61 %). Vier Längsbewehrungsverhältnisse von 6ø8, 6ø12 und 6ø14 wurden ebenfalls berücksichtigt. Die Längsverstärkungsverhältnisse betragen 2,95 %, 6,65 % bzw. 9,05 %. Die Elemente mit unterschiedlichen Längsbewehrungsverhältnissen werden je nach den unterschiedlichen Durchmessern der Stahlstäbe als LR1 (6ø6), LR2 (6ø8), LR3 (6ø10), LR4 (6ø12) und LR5 (6ø14) angegeben.

Abbildung 9a zeigt den Versagensmodus von Bauteilen mit unterschiedlichen Längsbewehrungsverhältnissen nach Stoßbelastung. Die Abbildung zeigt, dass alle Bauteile bei ungleicher Stoßbelastung scheren und dass eine Änderung des Längsbewehrungsverhältnisses keinen Einfluss auf den Versagensmechanismus der Bauteile hat. Das Längsbewehrungsverhältnis erhöht die Schadensreichweite des Bauteils und bringt den beschädigten Betonabschnitt näher an den Aufprallpunkt. Horizontale Zugrisse und Scherschrägbrüche bildeten sich ausschließlich an der oberen Durchbiegung des Stahlstabs auf der rechten Seite des Aufprallpunkts, als der Längsbewehrungsanteil auf 9,05 % anstieg. Diese Beobachtung zeigt, dass eine Erhöhung des Längsverstärkungsverhältnisses die Gesamtsteifigkeit des Elements verbessern kann. Durch die Erhöhung des Längsbewehrungsverhältnisses wird die vom Beton absorbierte Energie reduziert, indem die Aufprallenergie effizient auf die Stützen an beiden Enden übertragen wird.

Kraft- und Durchbiegungs-Zeitverlaufskurven mit Versagensmodus für unterschiedliche Bewehrungsverhältnisse.

Dadurch wird der Beton weniger beschädigt und die Bauteile sind stabiler. In Abbildung 9b sind die Stoß- und Reaktionskräfte des Bauteils dargestellt. Es gibt einen Unterschied in der Reaktionskraft zwischen der linken und der rechten Stütze. Aufgrund der ungleichen Position der Aufprallkraft verzögert sich die Unterstützungszeit. Die Stützreaktionskraft auf der linken Seite entwickelt sich linear mit dem Längsbewehrungsverhältnis. Durch Erhöhen des Längsverstärkungsverhältnisses eines Elements wird die Energieübertragungsrate erhöht, da das rechte Ende die Reaktionskraft unterstützt. Die Stützreaktionskraft steigt mit dem Längsbewehrungsverhältnis unter 6,65 % und nimmt über 6,65 % ab. Sobald der Längsbewehrungsgrad einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Beton zerkleinert. Während der Plateauphase schwankt die Reaktionskraft der rechten Stütze. Nach Betonbrüchen verteilen Stahlstäbe die Spannung auf die Oberfläche des Versagenstyps. Die Verlaufskurve der Durchbiegungszeit des Elements ist in Abb. 9b dargestellt. Der Zeitpunkt der größten Auslenkung ist mit der Abnahme der Aufprallkraft synchronisiert. Der Zeitablauf wird beschleunigt, indem der Längsbewehrungsanteil erhöht und gleichzeitig die maximale Durchbiegung und die endgültige Durchbiegung des Bauteils verringert werden.

Einzelheiten zu den zeitlichen Verlaufskurven der Aufprallkraft jedes Elements sind in Abb. 10 dargestellt. Wie beobachtet werden kann, beeinflusst die Erhöhung des Längsverstärkungsverhältnisses die Spitzenaufprallkraft, den Plateauwert und die Gesamtdauer des Elements erheblich, nicht jedoch die Plateaudauer. Die maximale Aufprallkraft und der Plateauwert nehmen linear mit dem Längsbewehrungsdurchmesser zu. Dies ist auf den erhöhten Längsbewehrungsanteil zurückzuführen. Darüber hinaus kann das Element nach einem Aufprall Energie schnell übertragen und absorbieren, wodurch die Gesamtsteifigkeit und die Trägheitskraft verbessert werden.

Zeitverlaufskurve der Aufprallkraft für Bauteile mit unterschiedlichen Längsbewehrungsverhältnissen.

Die Kraft-Durchbiegungs-Kurve des Bauteils ist in Abb. 11 dargestellt, und die relevanten statistischen Daten für verschiedene Längsbewehrungsverhältnisse sind in Tabelle 6 dargestellt. Sobald das Längsbewehrungsverhältnis weniger als 6 % beträgt, wird der Großteil der vom Bauteil aufgenommenen Energie übertragen zur rechten Seitenstütze. Der Längsverstärkungsanteil erhöht die Energieabsorptionsfähigkeit des Bauteils. Die Energieabsorptionsfähigkeit des Bauteils nimmt ab, wenn sich der Längsbewehrungsanteil 6 % nähert. Lokale Betonbrüche verringern die Tragfähigkeit des Bauteils, wenn der Längsbewehrungsanteil zunimmt und der Stahl unwirksam wird. Die Energieaufnahme des Mitglieds wird vom Energieverbrauch des Trägers abgezogen. Der Unterschied verringert sich, wenn die Verstärkung weniger als 6 % beträgt, und nimmt zu, wenn die Verstärkung größer als 6 % ist. Dieser Vorfall verdeutlicht auf beredte Weise den vorstehenden Standpunkt.

Kraft-Weg-Kurve von Bauteilen mit unterschiedlichen Längsbewehrungsverhältnissen.

Ein höherer Längsbewehrungsgrad erhöht die Gesamtsteifigkeit und damit den Verformungswiderstand eines Stahlbetonbauteils. Sobald jedoch der Längsbewehrungsanteil einen Grenzwert erreicht, verringert sich die Energieabsorptionsfähigkeit des Bauteils aufgrund des vorzeitigen Zusammenbruchs des Betons. Die Schlagfestigkeit des Elements nimmt ab, wenn der Längsverstärkungsanteil 6,65 % übersteigt.

Die Hauptaufgabe von Beton in Stahlbetonkonstruktionen besteht darin, Druck standzuhalten, und die herkömmlichen Werte der Druckfestigkeit von Beton haben sich dramatisch verändert. Daher können sich Änderungen in der Betonfestigkeitsklasse auf die Schlagfestigkeit von Stahlbetonelementen auswirken. Im Experiment wurde Beton der Güteklasse C55 verwendet. Mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen wurden Elemente mit unterschiedlichen Betonfestigkeitsklassen (C45, C65, C75 und C85) hinzugefügt, um zu untersuchen, wie sich die Betonfestigkeit auf die Schlagfestigkeit des Elements auswirkt. CSG1 (C45), CSG2 (C55), CSG3 (C65), CSG4 (C75) und CSG5 (C85) sind die angegebenen Betonfestigkeitsklassen als fünf Elemente mit unterschiedlichen Betonfestigkeitsklassen. Bei unterschiedlichen Betonfestigkeitswerten ist der endgültige Versagensmodus eines Bauteils in Abb. 12a dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass unabhängig von der Betonfestigkeit ein Schubversagen auf der rechten Seite des Aufprallpunktes auftritt.

Versagensmodus- und Kraft-Durchbiegung-Zeitverlaufskurven verschiedener Betonfestigkeitselemente.

Bei C65 und darunter ist der Beton auf der rechten Seite des Aufprallpunkts aufgrund von Scherbrüchen zerbrochen und gespalten, und die Elemente sind in zwei Abschnitte gespalten, die in der Mitte durch freiliegende Längsstahlstäbe verbunden sind. Die Zugkraft konzentriert sich um den Aufprallpunkt. Wenn die Betonfestigkeit jedoch C65 übersteigt, brechen die Längsstahlstäbe auf der rechten Seite des Aufprallpunkts, was darauf hindeutet, dass der Beton spröder wird. Die Tragfähigkeit eines Bauteils verringert sich, wenn es beschädigt ist. Übermäßige Aufprallenergie führt zum Bruch der Längsstahlstange. Beschädigte Betonbauteile nehmen bei ungleichem Aufprall zu, wenn die Betonfestigkeit über C65 steigt. Abbildung 12b zeigt die zeitliche Verlaufskurve der Aufprallkraft und der unterstützenden Reaktionskraft jedes Mitglieds mit Durchbiegung. Die Ankunftszeit der ersten Wellenspitze der Reaktionskräfte am linken und rechten Ende des Bauteils wird mit zunehmender Betonfestigkeit verkürzt, obwohl die Auswirkung gering ist. Für das linke Endlager schwankt die Reaktionskraft im Bereich von CSG5, der mit der Betonfestigkeit zunimmt. Sie nimmt bei Beton ab, wenn sie CSG5 überschreitet. Im rechten Endlager tendiert die Reaktionskraft nach oben. Höhere Betonfestigkeiten haben beispielsweise in einem bestimmten Bereich höhere Druck- und Zugfestigkeiten und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen. Es wird spröde und der Einfluss der festen Stütze erzeugt eine Kompression, wodurch der benachbarte Beton leichter bricht; Die Verlaufskurven der Ablenkungszeit jedes Mitglieds sind in Abb. 12b dargestellt. Die maximale Durchbiegung am unteren Ende des Auftreffpunkts zeigt, dass Änderungen in der Betonfestigkeit keinen Einfluss auf den Verschiebungstrend am Auftreffpunkt des Bauteils haben. Da Beton zu spröde ist, bricht er auf der rechten Seite des Aufprallpunktes vollständig.

Die Aufprallkraft jedes Bauteils ist in Abb. 13 dargestellt, um die Zeitverlaufskurven bei variabler Betonfestigkeit zu vergleichen. Die Einwirkungszeitverlaufskurven von CSG1 und CSG2 stimmen nahezu überein, die Einwirkungszeitverlaufskurven von CSG4 und CSG5 sind praktisch gleich und die Wirkungsdauer für alle Mitglieder ist gleich, wie in Abb. 13 dargestellt. Die Mitglieder CSG4 und CSG5 im Plateaustadium schwanken. Aufgrund des frühen Betonbruchs kam es zu einem abrupten Rückgang der Tragfähigkeit der Bauteile. An diesem Punkt wird die Belastung auf die Stahlstäbe verteilt und deren Aufprallkräfte nehmen zu. Die maximale Aufprallkraft steigt; Allerdings ist der Anstieg bescheiden.

Zeitlicher Verlauf der Aufprallkraft verschiedener Betonfestigkeitselemente.

Die Kraft-Weg-Kurve für verschiedene Betonfestigkeiten ist in Abb. 14 dargestellt. Durch die Integration der Kurve erhält man die von den Bauteilen aufgenommene Energie. In Tabelle 7 sind die numerischen Daten verschiedener Betonfestigkeitselemente aufgeführt. Beton mit weniger als C65 zeigt einen Anstieg der Energieabsorption durch Bauteile mit zunehmender Betonfestigkeitsklasse, wie in Tabelle 7 dargestellt. Sie nimmt mit der Festigkeitsklasse des Betonelements ab, nachdem sie C65 überschreitet. Aufgrund der Beschädigung des Mitglieds kann dieses die Aufprallenergie nicht mehr erfolgreich in innere Energie umwandeln. Das Energieabsorptionsvermögen des rechten Endträgers ändert sich mit der Betonfestigkeit; Allerdings verbessert sich die Energieabsorptionsfähigkeit des linken Endträgers mit der Betonfestigkeit. Der Beton auf der rechten Seite des Aufprallpunkts versagt und die vom Aufprallkörper auf die Bauteile ausgeübte Kraft wird über die Längsstahlstäbe auf beide Enden übertragen.

Kraft-Weg-Kurven unterschiedlicher Betonfestigkeitsglieder.

Der teilweise fertiggestellte Betonabschnitt trägt es zur Seite des Aufprallpunkts. Wenn die Betonfestigkeit mehr als C65 beträgt, brechen die Elemente am Aufprallpunkt und die linke Seite der Elemente wird zu einem freitragenden Balken, der weiterhin der Aufpralllast standhält.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Betonfestigkeit zwischen C45 und C65 keinen Einfluss auf die Schlagfestigkeit des Bauteils hat. Wenn die Festigkeit des Betons jedoch C65 übersteigt, wird er spröde, was die Schlagfestigkeit der Bauteile verringert und sie leicht brechen lässt.

In den experimentellen Testergebnissen wurden die Mitglieder durch hohe Aufprallenergie erheblich beschädigt, obwohl YH1 und YH2 unterschiedlich starke Schäden aufwiesen. Andere Parameter werden konstant gehalten, um die Schlagenergie auf die Schlagfestigkeit von Stahlbetonbauteilen zu bewerten. Die Aufprallgeschwindigkeit verändert die Aufprallenergie. Die Parameter V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9 und V10 werden für den Aufprallhöhenbereich von 2 m berechnet, beginnend bei 0,2 m mit einem Gefälle von 0,2 m. In Abb. 15 zeigt die plastische Dehnung V2-, V4-, V6- und V8-Spannungswellen, die an beiden Enden auf die Stützen übertragen werden. Die Abbildung zeigt, dass es bereits bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 2,80 und 3,96 m/s nur zu Biegebrüchen in V2 und V4 kommt. Beim Eintritt eines Biegebruchs in den Querschnitt entsteht kein Scherschaden. Die verbleibende Durchbiegung der beiden Elemente übersteigt 1,1 % der lichten Spannweite, was auf ein Biegeversagen hinweist. Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 4,85 m/s kommt es auf der rechten Seite des Aufprallpunktes zu Scherbrüchen und Biegerissen. Die beiden Arten von Brüchen konvergierten um den Einschlagpunkt herum und drangen praktisch gleichzeitig ein, was zu Biege- und Scherversagen führte. Der diagonale Schubriss auf der rechten Seite des Aufprallpunktes dringt vor dem Biegeriss unten ein. Das Bauteil erleidet einen Schubbruch. Diese Verhaltensweisen deuten darauf hin, dass sich das Bauteil verbiegt und schert, wenn die Aufprallgeschwindigkeit 4,85 m/s (V6) und die Aufprallenergie 3175 J beträgt. Bei 5,60 m/s (V8) beträgt die Aufprallenergie 4233 J, was zu Scherversagen führt.

Plastische Dehnungsdiagramme von Bauteilen mit unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten.

Abbildung 16 vergleicht die Aufprallkraft-Zeit-Verläufe jedes Mitglieds. Die Abbildung zeigt, dass mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit die Spitzenkraft zunimmt und die Einwirkungszeit des Aufpralls zunimmt. Das Schwankungsmuster der Aufprallkraft ist bei jeder Komponente gleich. Der Anstieg der Plateaukraft ist bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 3,43 m/s nicht spürbar. Die Tragfähigkeit des Bauteilabschnitts ist maximal, wenn die Aufprallgeschwindigkeit 3,43 m/s beträgt. Daher kann das Element nur auf eine erhöhte Verformung angewiesen sein, um die Aufprallenergie zu absorbieren.

Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurve verschiedener Aufprallgeschwindigkeitselemente.

Die Kraft-Zeit-Verlaufskurve des Bauteils bei verschiedenen Aufprallgeschwindigkeiten ist in Abb. 17a dargestellt. Am linken Ende von V1 nehmen V2 und V3 mit der Aufprallgeschwindigkeit zu, bevor sie abnehmen. Dieses Phänomen hängt mit dem Versagen von Mitgliedern zusammen. Weniger als die Hälfte der ersten vier Elemente verbiegt sich, was zu Biegescherversagen führt. Aufgrund lokaler Schädigungen kann die starke Spannungswelle mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit nicht vollständig auf den Träger übertragen werden. Die Reaktionskraft der ersten vier Mitglieder hat eine längere Variationszeit. Die Schwankungszeit nimmt mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit ab. Aufgrund der langsamen Übertragungs- und Reflexionszeit der Stresswellen kommt es jedoch zu einem dramatischen Anstieg und Abfall in der stationären Phase. Darüber hinaus führt der lokale Bruch des Betons auf der rechten Seite des Aufprallpunkts zu einer Neuverteilung der Querschnittsspannung, was zu plötzlichen Spitzen und Tälern führt. Bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten ist die zeitliche Verlaufskurve der Durchbiegung eines Bauteils in Abb. 17b dargestellt. Die Durchbiegung des Bauteils nimmt mit der Aufprallgeschwindigkeit zu. Eine Aufprallgeschwindigkeit von weniger als 5,24 m/s verursacht einen Rückprall. Zu diesem Zeitpunkt ist das Glied elastoplastisch geschädigt. Wenn die Geschwindigkeit 5,24 m/s überschreitet, nimmt die Durchbiegung des Bauteils zu. Das Glied verliert seine Tragfähigkeit und ist schwer zu warten.

Kräfte- und Durchbiegungszeitverlaufskurven von Bauteilen bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten.

Die Kraft-Durchbiegungs-Kurve des Elements ist in Abb. 18 dargestellt. Integrieren Sie die Kurve in die Tabelle, um die Energie des Elements zu bestimmen. Tabelle 8 enthält genaue Daten für verschiedene Aufprallgeschwindigkeiten. Mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit steigt auch die Energieaufnahme des Bauteils. Beim Biegen ähnelt die Kraft-Durchbiegungs-Kurve des Bauteils einem Parallelogramm. Dieses Phänomen wurde ausführlich untersucht.

Kraft-Weg-Kurve der Bauteile bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten.

Die Aufprallgeschwindigkeit beeinflusst im Allgemeinen die Bruchform des Bauteils (dh die Aufprallenergie). Eine Aufprallgeschwindigkeit von weniger als 2,80 m/s führt zum Biegeversagen; Eine Aufprallgeschwindigkeit zwischen 2,80 m/s und 3,43 m/s führt zu kritischem Biege- und Scherversagen. Ein Scherversagen tritt auf, wenn die Aufprallgeschwindigkeit 3,96 m/s überschreitet. Ab einer Aufprallgeschwindigkeit von 5,24 m/s kann das Bauteil vollständig beschädigt werden.

Steigbügel werden verwendet, um der Scherfestigkeit des schrägen Abschnitts gerecht zu werden und die Integrität des Elements zu stärken. Um den Einfluss des Bügelverhältnisses auf die Schlagfestigkeit der Bauteile zu untersuchen, wurde der Bügelabstand auf s = 60 mm, s = 70 mm, s = 80 mm und s = 90 mm geändert. Gleichzeitig blieben die anderen Parameter gleich. Die Bedingung s = 50 mm und s = 100 mm untersucht die Elemente, und diese Parameter werden von kleinen bis größeren Abständen als SR1, SR2, SR3, SR4, SR5 und SR6 bezeichnet. Abbildung 19 zeigt die Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurven und die maximale Aufprallkraft jedes Mitglieds. Eine Änderung des Bügelverhältnisses hat nur geringen Einfluss auf den Schwankungstrend und die Dauer der Aufprallkraft des Elements, wie aus jeder Kurve in Abb. 19 hervorgeht. Die maximale Aufprallkraft verringert sich mit dem Abstand der Bügel; Sie nimmt jedoch zunehmend ab, wenn der Bügelabstand 70 mm überschreitet. Verglichen mit den Verlaufskurven der Durchbiegungszeit verschiedener Bügelverhältniselemente in Abb. 20. Die Abbildung zeigt, dass die anfänglichen Durchbiegungsschwankungen (15 ms) jedes Elements gleich sind, was darauf hindeutet, dass das Bügelverhältnis keinen Einfluss auf die Steifigkeit des Elements hat. Nach 15 ms nimmt die Durchbiegung der Stäbe mit dem Bügelabstand zu. Außerdem zeigt Abb. 20 die Auslenkung jedes Mitglieds bei (45 ms). Die Durchbiegung nahm nach (45 ms) bei praktisch allen Bauteilen mit Bügelabstand > 50 mm stark zu. Der vergrößerte Abstand macht die Bügel widerstandsfähiger gegen Beschädigungen im Einsatzbereich. Es ist schwierig, den allgemeinen Spannungszustand aufrechtzuerhalten, nachdem die Bügel gebrochen sind, was zu einem sofortigen Bruch der Elemente führt.

Spitzen- und Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurve von Bauteilen mit verschiedenen Bügelverhältnissen.

Zeitverlaufskurve der Durchbiegung von Bauteilen und Vergleich der Durchbiegung mit verschiedenen Bügelverhältnissen bei 45 ms.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Bügelverhältnis kaum Einfluss auf den Versagensmechanismus und die Aufprallkraft des Bauteils hat. Dennoch kann es den Schadensgrad des Bauteils verringern und einen vollständigen Bruch verhindern.

Das Schlankheitsverhältnis des Elements kann durch \(\lambda = \frac{KL}{r}\) berechnet werden, wobei (L) die tatsächlich gemessene Länge des Elements ist und (K) für die effektive Länge steht. Das Handbuch des American Institute of Steel Construction (AISC) listet diese Werte zwischen 0,5 und 2,056 auf. Der Wert von K hängt davon ab, wie die Randbedingungselemente in einer Struktur befestigt sind (K = 0,5 für zwei Elemente mit festen Enden), (r) ist der Kreisabschnittsradius. Das Ändern des Durchmessers des Elements erfordert einen großen Aufwand im finiten Element. Daher ändert sich bei einer Änderung der Länge des Elements das Schlankheitsverhältnis. Der Test skaliert seine Querschnittsfläche und sein Durchmesser wird berechnet.

Das Schlankheitsverhältnis wird ohne Einfluss auf die Länge des Bauteils bestimmt. Gehen Sie davon aus, dass die anderen Kriterien des Elements unverändert bleiben und dass das Schlankheitsverhältnis die Länge des Elements ändert. Das Schlankheitsverhältnis jedes Mitglieds für die Probe (YH2) beträgt 19,41, 18,43, 17,55, 16,76 und 16,28. Ihre lichten Spannweiten betragen 1006 mm, 950 mm, 900 mm, 855 mm bzw. 827 mm, wobei die Parameternamen für die Elemente nacheinander als SLr1, SLr2, SLr3, SLr4 und SLr5 angegeben sind. Abbildung 21a zeigt den Vergleich der Schlankheitsverhältnisse vor und nach dem Versagen. Die Abbildung zeigt, dass die Scherung aller Stäbe rechts vom Aufprallpunkt abbricht. Zusätzlich zum Scherbruch ist das Element SLr1 am unteren Ende des Aufprallpunkts gebogen und gerissen, SLr2 und SLr3 sind am oberen Ende des rechten Endträgers gebogen und gerissen, und SLr4 und SLr5 sind genau dort gebrochen, wo der Scherriss auftritt die rechte Seite des Aufprallpunktes.

Auswirkung des Seitenverhältnisses auf die Mitglieder.

Der Bereich der Spannungskonzentration wächst mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis des Bauteils. Die Kraft-Auslenkung-Zeitverlaufskurve des Bauteils ist in Abb. 21b dargestellt. Die beiden Elemente SLr4 und SLr5 brachen nach dem Aufprall und die Durchbiegung des Elements nahm zu. Die Durchbiegung der verbleibenden drei Elemente nahm mit dem Schlankheitsverhältnis zu. Das Schlankheitsverhältnis von SLr4 und SLr5 ist klein, die Spannung konzentriert sich auf die rechte Seite und die lokale Spannung ist zu hoch, was zum Bruch des Bauteils führt. Bei Bauteilen, die nicht gebrochen sind, nimmt die Durchbiegung mit dem Schlankheitsverhältnis zu, da die Verformbarkeit mit der Bauteillänge zunimmt.

Integrieren Sie die Kurve, um Energie zu absorbieren. Die vom Element und der rechten Endstütze absorbierte Energie steigt mit dem Schlankheitsverhältnis. Dennoch absorbiert die linke Endstütze mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis weniger Energie. Das Mitglied wächst, die Schlagfestigkeit verbessert sich und es wird Energie verbraucht. Mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis kann das Element verbogen und beschädigt werden, sodass die Energie effizient auf die Stützen an beiden Enden übertragen werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verformungsfähigkeit, die Energieabsorptionsfähigkeit und die Spannungskonzentrationsfläche des Bauteils mit dem Schlankheitsverhältnis zunehmen. Der Spitzenwert der Aufprallkraft nimmt deutlich ab und die Dauer nimmt zu, das Plateau der Aufprallkraft bleibt jedoch gleich. Mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis ändert sich der Versagensmechanismus des Bauteils von Scherung zu Biegung. Sobald das Schlankheitsverhältnis 35,30 erreicht, versagt das Bauteil unter Biegescherung. Immer wenn das Schlankheitsverhältnis 35,30 übersteigt, kann das Bauteil durch Biegen versagen.

Abbildung 22 vergleicht die Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurven der Elemente. Die spezifischen Daten für verschiedene Seitenverhältnisse sind in Tabelle 9 aufgeführt. Mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis des Elements nimmt die Aufpralldauer zu und die maximale Aufprallkraft ab, was jedoch keinen Einfluss hat der Plateauwert.

Zeitverlaufskurven der Aufprallkraft bei verschiedenen Streckungsverhältnissen der Mitglieder.

Unter seitlichen Stoßbelastungen unterschiedlicher Spannweite konzentriert sich dieser Artikel auf fünf Aspekte der dynamischen Reaktion und des Versagensmechanismus von Stahlbetonbauteilen. Eine Fallhammer-Schlagprüfung von Stahlbetonbauteilen, die ungleichmäßigen seitlichen Stößen ausgesetzt sind. Erstellung von Finite-Elemente-Modellen unter Einfluss verschiedener Parameter. Ungleichmäßige Stoßbelastungen mit hoher Geschwindigkeit führen zu Scherversagen. Die rechte Seite des Aufprallpunktes bildet die Scherbruchfläche. Die Oberseite der versagenden Oberfläche ist der Aufprallpunkt. Aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Dehnungsrate sind dreidimensionale Finite-Elemente-Modelle mit ungleicher Spannweite und seitlichem Aufprall von Stahlbetonbauteilen aus Stahl und Beton enthalten. Vergleichen Sie die Testergebnisse mit dem Ausfallmechanismus des Modells, der Aufprallkraft-Zeit-Verlaufskurve und den Simulationsergebnissen der Ablenkungszeitkurve. Die Ergebnisse zeigen, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene Finite-Elemente-Modell die erzwungenen mechanischen Eigenschaften und Versagensmechanismen von Stahlbetonbauteilen genau vorhersagt. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse zur Schlagfestigkeit zeigen Folgendes:

Durch Erhöhen des Bewehrungsverhältnisses eines Elements kann dieses dazu beitragen, Verformungen standzuhalten. Umgekehrt versagen überbewehrte Bauteile über 6 % aufgrund von Stahlversagen frühzeitig. Sein Energieaufnahmevermögen nimmt mit zunehmendem Verstärkungsgrad > 4,6 % ab.

Die Betonfestigkeitsklassen CSG1, CSG2 und CSG3 haben nur minimale Auswirkungen auf die Schlagfestigkeit der Bauteile. Beton, der stärker als CSG3 (65 MPa) ist, bricht leicht.

Mitglieder versagen aufgrund der Aufprallgeschwindigkeit (dh der Aufprallenergie). Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von weniger als 2,80 m/s kommt es zu einer Verformung des Bauteils. Das Bauteil darf sich zwischen 2,80 m/s und 3,43 m/s biegen und scheren. Scherversagen tritt bei Effekten mit 3,96 m/s auf. Bei 5,24 m/s kann es zum vollständigen Bruch des Bauteils kommen.

Das Bügelverhältnis hat keinen Einfluss auf den Versagensmechanismus des Bauteils oder die Aufprallkraft. Es kann jedoch den Schaden verringern und eine Trennung des Mitglieds verhindern.

Das Schlankheitsverhältnis verbessert auch die Verformung, den Plateauwert und die Energieabsorption um ≤ 18,43 %. Das SLr1-Element hat den Biegetest nicht bestanden. Mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis sinkt die maximale Aufprallkraft und das Bauteil versagt eher bei Biegung als bei Scherung.

Es ist wichtig, die Reaktion der Proben auf Axialkräfte zu untersuchen. Es sollte versucht werden, praktikable Ansätze zur Verbesserung des Fähigkeitswerts zu finden, der mit der Umhüllung von FRP-Platten in Bewehrungsbeton verbunden ist. Im Bausektor würden die Ergebnisse solcher Untersuchungen sofort hilfreich sein.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren möchten der Behörde der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 52178168 und 51378427) für die Finanzierung dieser Forschungsarbeit und mehrerer laufender Forschungsprojekte im Zusammenhang mit der Leistung struktureller Auswirkungen herzlich danken.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Südwest-Jiaotong-Universität, Chengdu, Sichuan, China

Liu Yanhui, Khalil Al-Bukhaiti, Zhao Shichun, Hussein Abas, Xu Nan, Yang Lang und Yan Xing Yu

Abteilung für Bauingenieurwesen und Energietechnologie, Fakultät für Technologie, Kunst und Design, Oslo Metropolitan University, Oslo, Norwegen

Han Daguang

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Konzeptualisierung, K.AL-B. und LY.; Methodik, K.AL-B; Software, HA; Validierung, K.AL-B., YY und LY; formale Analyse, K.AL-B; Untersuchung, ZS; Ressourcen, XN; Datenkuration, YL; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, K.AL-B; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, YXY; Visualisierung, HD. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Khalil Al-Bukhaiti.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yanhui, L., Al-Bukhaiti, K., Shichun, Z. et al. Numerische Studie an bestehenden RC-Bauteilen mit kreisförmigem Querschnitt unter ungleicher Stoßkollision. Sci Rep 12, 14793 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19144-1

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Eingegangen: 27. Januar 2022

Angenommen: 24. August 2022

Veröffentlicht: 30. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19144-1

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