Technological Complexes №1(14), 2017

UDC 624.012.25

Andriichuk O.V, Ph.D. in Engineering Lutsk National Technical University / Ukraine

APPLICATION OF PROGRAMMATIC COMPLEX LYRE AT RESEARCH OF TENSE DEFORMED STATE OF NONPRESSURE PIPE FROM STEELFIBRECONCRETE

ЗАСТОСУВАННЯ ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСУ ЛІРА ПРИ ДОСЛІДЖЕННІ НАПРУЖЕНО- ДЕФОРМІВНОГО СТАНУ БЕЗНАПІРНОЇ ТРУБИ ЗІ СТАЛЕФІБРОБЕТОНУ

Abstract: Іn the article is described the Анотація: В статті описано моделювання modeling of experimental researches of експериментальних досліджень безнапірних труб, nonpressure pipes, as elements of circular cut from як елементів кільцевого перерізу зі steelfibreconcrete at the action disposable load by сталефібробетону при дії одноразових means of programmatic complex Lyre 9.4. An навантажень за допомогою програмного algorithm is given of calculation and comparing with комплексу Ліра 9.4. Подано алгоритм проведення experimentally obtained data. розрахунку та здійснено порівняння з експериментально отриманими даними.

Keywords: Steelfibreconcrete, elements of circular Ключові слова: Сталефібробетон, елементи cut, nonpressure pipes, PC Lyre. кільцевого перерізу, безнапірні труби, ПК Ліра.

INTRODUCTION ВСТУП Efficiency of application of steelfibreconcrete in Ефективність застосування сталефібробетону в building constructions can be arrived at due to the будівельних конструкціях може досягатися за labour cost cutting on armature works, combinations рахунок зниження трудовитрат на арматурні роботи, of technological operations on preparation, суміщення технологічних операцій на приготування, reinforcement, laying and compaction of армування, укладання та ущільнення steelfibreconcrete mixture, extending deadline of сталефібробетонної суміші, продовження терміну exploitation of constructions and lower costs cutting експлуатації конструкцій і зниження витрат на різні on the different types of permanent repair. види поточного ремонту. Застосування його замість Application of it instead of the reinforced concrete залізобетону значно знижує матеріаломісткість considerably reduction material capacity of конструкцій при одночасному підвищенню constructions at simultaneous to the increase of експлуатаційних властивостей, довговічності, operating properties, longevity, temperature stability, температуростійкості, водонепроникності. watertightness.

MAIN ARTICLE ОСНОВНИЙ ТЕКСТ СТАТТІ For the receipt of steelfibreconcret to concrete Для отримання сталефібробетону до бетонної mixture - matrices were added steel fibres with суміші – матриці додавалися стальні фібри з anchor ends. Fiber diameter was 0.8 mm, their анкерними кінцями. Діаметр фібр становив 0,8 мм, length - 50 mm. General view of the test, that were їхня довжина – 50 мм. Загальний вигляд brought based on laboratory building of Lutsk NTU випробувань, що були приведені на базі будівельної presented in Figure 1. лабораторії Луцького НТУ представлено на рис. 1.

44

Technological Complexes №1(14), 2017

Fig. 1.General view of test of elements of circular cut, authorsʼ: 1 - upper base plate press PSU-125; 2 – dynamometer sample; 3 – jack; 4 – metallic traverse; 5 – research sample of circular cut; 6 – rubber carpet; 7 – lower base plate press PSU-125 / Загальний вигляд випробування елементів кільцевого перерізу, авторська розробка: 1 – верхня опорна плита пресу ПСУ-125; 2 – зразковий динамометр; 3 – домкрат; 4 – металева траверса; 5 – дослідний зразок кільцевого перерізу; 6 – гумовий килим; 7 – нижня опорна плита пресу ПСУ-125

At this stage of development of science and На даному етапі розвитку науки та техніки, та technology, and taking into account all-embracing враховуючи всеохоплюючу комп’ютеризацію computerization of most productive processes, більшості виробничих процесів, актуальним є actual is a question of realization in parallel with the питання проведення паралельно з натурними model ( a stand) tests of building constructions of (стендовими) випробуваннями будівельних computer design of work of these constructions, and конструкцій комп’ютерного моделювання роботи research of them by means of the application даних конструкцій, та дослідження їх за допомогою programs. One of basic methods on the basis of that прикладних програм. Одним із основних методів на most application programs are written for realization основі якого написані більшість прикладних програм of corresponding researches there is a method of для проведення відповідних досліджень є метод finite elements. This method is used during the скінченних елементів. Даний метод застосовується calculation of linear and nonlinear tasks in the під час розрахунку лінійних та нелінійних задач в different areas of science of technical direction. різних галузях науки технічного напрямку. To date created and used by a significant На сьогоднішній день створено та number of software based on the finite element використовується значна кількість програмного method, namely: ANSYS, PLAXIS, Code_Aster, забезпечення, що основане на методі скінченних DSM FEM, Deal.II, Elmer FEM solver, Femap, елементів, а саме: ANSYS, PLAXIS, Code_Aster, Comsol, FreeFEM++, GetDP, Impact, LibMesh, DSM FEM, Deal.II, Elmer FEM solver, Femap, Comsol, LSDYNA, MatLab, MicroFe, Nastran, QForm 2D/3D, FreeFEM++, GetDP, Impact, LibMesh, LSDYNA, RFEM, SCAD, Zebulon, ЛИРА. MatLab, MicroFe, Nastran, QForm 2D/3D, RFEM, Presently most scientists and researchers of our SCAD, Zebulon, ЛИРА. state, that engage in a study and improvement of В даний час більшість науковців та дослідників building to the construction draw on a programmatic нашої держави, що займаються вивченням та complex (PC) ЛИРА, that purchased high покращенням будівельних конструкції popularization. In particular this matter was dealt використовують програмний комплекс (ПК) ЛИРА, with Babich, E.M. [5], Pasternak, I.M. [11], Kinash, що набув високої популяризації. Зокрема цим R. [9], Grigorchuk, AB [8], Marienkov, NG [10]. The питанням займались Бабич, E.M. [5,6], author considers the problems of this issue in Пастернак, I.M. [11], Кінаш, Р. [9], Григорчук, А.Б. [8], papers [1, 2, 3, 4]. Марьенков, Н.Г. [10]. Автором розглянуто For calculations used a programmatic complex проблематику даного питання у роботах [1, 2, 3, 4]. Lyre 9.4 developments of NDIASB, Kyiv. Simulation Для розрахунків використовувався програмний of research sample (elements of circular cut) was комплекс Ліра 9.4 розробки НДІАСБ, м. Київ. conducted physically by nonlinear finitel by volume Моделювання роботи дослідних зразків (елементів

45

Technological Complexes №1(14), 2017 elements № 236 (universal spatial 8-angular кільцевого перерізу) проводилося фізично isoparametric СЕ). нелінійними скінченними об’ємними елементами № To this end the design of element of circular cut 236 (універсальними просторовими 8-кутовими is executed with the set sizes (fig. 2). ізопараметричними КЕ). Triangulation is conducted on eventual elements З цією метою виконано моделювання елемента coming from terms: кільцевого перерізу з заданими розмірами (рис. 2). – the wall of pipe on a thickness is broken up on Проведено тріангуляцію на кінцеві елементи four layers (at tst = 40 mm the thickness of one layer виходячи з умов: will present tsh= 10 mm. Within the limits of one layer – стінка труби по товщині розбивається на accepted, that one finite element is in thick чотири шари (при tст = 40 мм товщина одного шару accordinglyt = 10 mm; становитиме tш = 10 мм). В межах одного шару – length of circle on the axial radius of element of приймається, що знаходиться один скінченний circular cut presents lк = 107 сm. It is broken up on елемент товщиною відповідно t = 10 мм; finite elements with length of side for lсе = 10 mm. – довжина кола по осьовому радіусу елемента Be 107 finite elements on an axial radius. кільцевого перерізу становить lк = 107 см. Вона – the length of elements of circular cut of l = 290 розбивається на скінченні елементи з довжиною mm (in the first series) and l = 200 mm (in the сторони по lсе = 10 мм. Буде 107 скінченних second series). On length of pipe breakdown on елементів по осьовому радіусу. finite elements is executed with a condition, that – довжина елементів кільцевого перерізу l = 290 length of every finite element of l = 10 mm (that мм (в першій серія) та l = 200 мм (в другій серії). По finite elements will have a cube geometrical form). довжині труби розбивка на скінченні елементи 29 eventual elements (for the first series) and 20 виконується з умовою, що довжина кожного eventual elements (for the second series) will be скінченного елемента l = 10 мм (тобто скінченні accommodated in direction of length of element of елементи матимуть кубічну геометричну форму). В circular cut. напрямку довжини елемента кільцевого перерізу After modeling element and partitioning it into буде розміщено 29 скінченних елементів (для finite elements - аsked mechanical першої серії) та 20 скінченних елементів (для characteristics,that answer the real properties of другої серії). materials from that it is made with the using of Після моделювання елемента та розбивки його physical nonlinearity. на скінченні елементи - задаються механічні характеристики, що відповідають реальним властивостям матеріалів з яких він виготовляється з використанням фізичної нелінійності.

first second a) b)

series series

c) first

second

series

series

Fig. 2. Numerical model of elements of circular cut, authorsʼ: а – projection YOZ (front view); b – projection XOY and XOZ (a side view and top); c – isometric projection / Числова модель елементів

46

Technological Complexes №1(14), 2017

кільцевого перерізу, авторська розробка: а – проекція YOZ (вигляд спереду); б – проекція XOY та XOZ (вигляд збоку та зверху); в – ізометрична проекція

Loading on the model of element circular cut is Навантаження на модель елементу кільцевого applied from own weight of this element circular cut перерізу прикладається від власної ваги даного and from an action equipartition loading which is елемента кільцевого перерізу та від дії рівномірно applied along an axis in direction of vertical розподіленої навантаження, що прикладається diameter. Evenly distributed load is given by a вздовж осі в напрямку вертикального діаметра. simple stepper method of calculation with uniform Рівномірно розподілене навантаження задається за steps (accepted uniform steps 10 with 300 each допомогою простого крокового методу розрахунку з iteration of these steps). Before the start of рівномірними кроками (рівномірних кроків calculation process for the elements of circular cut приймається 10-ть з 300-ми ітераціями в кожному з from steelfibreconcrete given by the 14th law of цих кроків). Перед запуском розрахункового nonlinear deformation ( "Piecewise linear процесу для елементів кільцевого перерізу зі deformation law"). Process of calculation of сталефібробетону задається 14-ий закон steelfibreconcrete elements circular cut by means of нелінійного деформування («кусочно-линейный programmatic complex Lyre 9.4 it is shown on закон деформирования»). Процес розрахунку figure 3. сталефібробетонних елементів кільцевого перерізу за допомогою програмного комплексу Ліра 9.4 Analysis of izopoliv of bending moments, that got показано на рис. 3. in the consequence of calculation by means of the Аналіз ізополів згинаючих моментів, що PC Lyre shows that most dangerous in relative отримали в наслідок розрахунку за допомогою ПК values emerging moments and according to Ліра показує, що найбільш небезпечними відносно development of process of crack-formation - is the величини виникаючих моментів і відповідно inner zone of vertical cuts, and an external zone of розвитку процесу тріщино-утворення - є внутрішня horizontal (in accordance with σcrc, that indicated on зона вертикальних січень, та зовнішня зона fig. 4) – tensile zone. горизонтальних (відповідно до σcrc, що вказані на Value of moments (on the basis of analysis of рис. 4) – зони розтягу. izopoliv) in the external zone of vertical cut and the Значення моментів (на основі аналізу ізополів) в inner area of horizontal (compression zone) indicate зовнішній зоні вертикальних січень та внутрішній a significant margin of the strength elements circular зоні горизонтальних (зони стиску) свідчать про cut from steelfibreconcrete in these zones– fig. 5. суттєвий запас міцності елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону в цих зонах – рис. 5.

Fig. 3. Process of calculation of elements of circular cut from steelfibreconcrete in the PC Lyre 9.4, authorsʼ: a – a calculation is on the second step; b – a calculation is on a ninth step / Процес розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону в ПК Ліра 9.4, авторська розробка: а – розрахунок на 2-му кроці; б –розрахунок на 9-му кроці

47

Technological Complexes №1(14), 2017

Fig. 4. Chart of placing of cracks in the elements of circular cut (а) and moving of cuts in horizontal (Δlh) and vertical (Δlv) direction (б) during application loading, authorsʼ / Схема розміщення тріщин в елементах кільцевого перерізу (а) та переміщення перерізів в горизонтальному (Δlh) та вертикальному (Δlv) напрямку (б) під час прикладання навантаження, авторська розробка

Fig. 5. Change of values of izopoliv moments of Mz in the element of circular cut from steelfibreconcrete of ІІ series at the increase of loading from F = 4 кН (а) to F = 8 кН (б); izopolya tensions of Nz on an isometric projection (b), authorsʼ / Зміна значень ізополів моментів Mz в елементі кільцевого перерізу зі сталефібробетону ІІ-ої серії при зростанні навантаження із F = 4 кН (а) до F = 8 кН (б); ізополя

напружень Nz на ізометричній проекції (в), авторська розробка

Convergence of values of bending moments Збіжність значень згинальних моментів obtained by means of the PC LYRE and theoretical отриманих за допомогою ПК ЛІРА та теоретичного calculation is within the limits 18 … 20 %. The розрахунку знаходиться в межах 18 … 20 %. values of moments in vertical and lateral longitudinal Значення моментів в вертикальних та бокових cuts are got in the consequence of this calculation it поздовжніх перерізах отримані в наслідок даного is given in a table. 1. For comparison in a table. 1 розрахунку подано в табл. 1. Для порівняння в табл. the also given values of bending moments at the 1 також подані значення згинальних моментів в elements of circular cut are certain in theory and by елементів кільцевого перерізу визначені теоретично means of programmatic complex LYRE. і за допомогою програмного комплексу ЛІРА.

Table 1 A value of bending moments is in the element of 2SFPK , authorsʼ / Значення згинальних моментів в елементі 2СФБК, авторська розробка

In vertical In of vertical Force, F / longitudinal cuts / В longitudinal cuts / В Theoretical Сила, F вертикальних бокових at γ =0,25 / поздовжніх перерізах поздовжніх перерізах Теоретичне PC Theoretical PC Theoretical при γ =0,25 кН кН/м LYRE at γ2,4= 0,318 LYRE at γ1,3= 0,182 1 5 0,230 0,270 0,199 0,155 0,213 2 10 0,458 0,541 0,398 0,310 0,425 3 15 0,687 0,811 0,596 0,464 0,638 4 20 0,916 1,081 0,794 0,619 0,850

48

Technological Complexes №1(14), 2017

5 25 1,146 1,352 0,995 0,774 1,063 6 30 1,375 1,622 1,193 0,928 1,275 7 35 1,603 1,892 1,392 1,083 1,488 8 40 1,832 2,162 1,589 1,237 1,700 9 45 2,061 2,433 1,796 1,392 1,913

It is needed to mark that bending moments in a Потрібно зазначити, що згинальні моменти в vertical and lateral cut by PC LYRE 9.4 are in вертикальному та боковому перерізі визначені ПК relation to each other in more narrow range as ЛІРА 9.4 знаходяться один відносно одного в compared to in theory certain bending moments. вужчому діапазоні в порівнянні з теоретично визначеними згинальними моментами.

CONCLUSIONS ВИСНОВКИ A programmatic complex Lyre gives an Програмний комплекс Ліра дає можливість opportunity to determine the numerical values of визначати числові значення згинальних моментів, bending moments that arise up in the elements що виникають в елементах кільцевого перерізу зі circular cut from steelfibreconcrete by the action of сталефібробетону від дії на них наперед відомих the known loading. After realization of calculation of навантажень. Після проведення розрахунку несучої bearing strength of cutting elements of circular cut здатності січення елементів кільцевого перерізу зі from steelfibreconcrete we will get the value of сталефібробетону ми отримаємо значення boundary moments at that it is possible to exploit граничних моментів при яких можна експлуатувати these elements from steelfibreconcrete. Comparing дані елементи зі сталефібробетону. Порівнюючи ці these sizes it is possible to define boundary величини можна визначити граничні умови operating conditions for data elements of експлуатації для даних сталефібробетонних steelfibreconcrete elements circular cut. елементів кільцевого перерізу. The article describes possibility of the use in В статті описано можливість використання під the calculation of elements of circular cut from час розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону of programmatic complex the сталефібробетону програмного комплексу ПК Ліра, РC Lyre that works on the basis of algorithms of що працює на основі алгоритмів методу скінченних method of eventual elements. елементів. Convergence of values of bending moments Збіжність значень згинальних моментів obtained by means of the PC LYRE and theoretical отриманих за допомогою ПК ЛІРА та теоретичного calculation is within the limits 18…29 %, and розрахунку та знаходиться в межах 18…29 %, а theoretical calculation is in limits 6 … 7 %. теоретичного розрахунку знаходиться в межах 6 … 7 %.

REFERENCES БІБЛІОГРАФІЧНІ ПОСИЛАННЯ [1] Andriychuk, O.V. & Yasyuk, І.М. (2014). [1] Андрійчук О.В. Виготовлення придорожніх лотків Manufacturing of roadside trays of drainage from водовідводу зі сталефібробетону / О.В. Андрійчук, steelfibrobeton. Scientific Notes: Collection of І.М. Ясюк// Наукові нотатки: збірник наукових праць Scientific Papers, vol. 45, 7-1. – Луцьк: Луцький НТУ, 2014. – Випуск 45. – С. 7 – 1. [2] Andriichuk, O., Babich, V., Yasyuk, I. & Uzhehov, [2] Andriichuk O. The influence of repeated loading on S.(2017). The influence of repeated loading on work work of the steel fiber concrete drainage trays and of the steel fiber concrete drainage trays and pipes pipes on the roads / O. Andriichuk, V. Babich, I. on the roads. MATEC Web of Conferences. Yasyuk, S. Uzhehov // MATEC Web of Conferences, N [3] Andriychuk, O.V. (2011). Work and calculation of 116, 2017, p 02001, 1-9. elements of a circular section under the action of [3] Андрійчук О.В. Робота і розрахунок елементів repeated loads: Dissertatoin Ph.D. in кільцевого перерізу при дії повторних навантажень: Engineering: Lviv. Автореф. дис… канд. техн. наук: 05.03.21 / О.В. [4] Andriychuk, O.V. & Babich, Ye.M. (2012). Steel- Андрійчук – Львів, 2011. – 24 с. reinforced non-pressure pipes. [Monograph]. Lutsk: [4] Андрійчук О.В. Сталефібробетонні безнапірні RVB of Lutsk National Technical University. труби / О.В. Андрійчук, Є.М. Бабич // Монографія. - [5] Babich, Ye.M. & Andriychuk, O.V. (2012) Луцьк: РВВ Луцького НТУ, 2012. - 150 с. Designing and manufacturing of non-pressure pipes [5] Бабич Є.М. Проектування та виготовлення made of steel-reinforced concrete. безнапірних труб із сталефібробетону / Є.М. Бабич, Recommendations. Lutsk: LNTU. О.В. Андрійчук // Рекомендації. – Луцьк: ЛНТУ, 2012. [6] Babych, E.M. & Andriichuk, O.V. (2017). – С. 32. Strength of elements with annular cross sections [6] Babych, E.M., Strength of elements with annular cross sections made of steel-fiber-reinforced concrete

49

Technological Complexes №1(14), 2017 made of steel-fiber-reinforced concrete under one- under one-time loads / O.V. Andriichuk, E.M. Babych // time loads. Materials Science, Vol. 52, No. 4, 509 – Materials Science, Vol. 52, No. 4, 2017, p. 509 – 513. 513. [7] ЛИРА 9.4. Руководство пользователя. Основы. [7] Bogovis, V.E., Genzersky, Y.V. & Geraymovich, Учебное пособие / В.Е. Боговис, Ю.В. Гензерский, Y.D. (2008). LYRE 9.4. User guide. Fundamentals. Ю.Д. Гераймович и др. – К.: Издательство Textbook. Kyiv.: "Fact". "Факт", 2008. [8] Grigorchuk, A.B. (2011). Estimation of the [8] Григорчук А.Б. Оцінка напружено- tensely-deformed state of bending reinforce- деформованого стану згинальних залізобетонних concrete elements at the action of small cycle елементів при дії малоциклового знакозмінного alternating load with the use of the РC "Lyre". навантаження з використанням ПК «Ліра» // Resource ekonomnі materials, constructions, Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та building and sporudеs : Collection of scientific споруди: Збірник наукових праць – Рівне: НУВГП, works,Rivne. 2011. – Випуск 22. – С. 272 – 277. [9] Kinash, R. & Bilozir, V. (2015). Deformational [9] Kinash R. Deformational calculation method of calculation method of bearing capability of bearing capability of fiberconcrete steel bending fiberconcrete steel bending elements Czasopismo elements / R. Kinash, V. Bilozir // Czasopismo Techniczne. Techniczne (2015). [10] Maryenko, N.G., Maksimenko, V.P. & Babik, [10] Марьенков Н.Г. Нелинейный расчет зданий на K.N. (2006). Nonlinear calculation of building on сейсмические воздействия сприменением ПК seismic influences with the use of thе РC " LYRE" . «ЛИРА» / Марьенков Н.Г., Максименко В.П., Бабик Building constructions, Vol. 64, 188 - 195. К.Н. // Будівельні конструкції: зб. наук. праць. – К.: [11] Pasternak, Ia.M. (2012) Plane problem of НДІБК, 2006. - Вип. 64. – С.188 - 195. elasticity for anisotropic bodies with thin elastic [11] Pasternak Ia.M. Plane problem of elasticity for inclusions. J. Math. Sci, Vol. 186, No. 1. 31–47. anisotropic bodies with thin elastic inclusions // J. Math. Sci. – 2012. – 186, No. 1. – P. 31–47.

50