3.19 Экспериментально-теоретическое исследование динамики стальной рамной конструкции при быстрой структурной перестройке

Серпик И.Н., Курченко Н.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

Выполнен экспериментальный и расчетный анализ деформирования пространственной стальной рамы при удалении одной из стоек. Подтверждена достаточно высокая точность расчетных моделей, используемых в работе для исследования несущей способности рамных систем при внезапных локальных повреждениях.

The experimental and theoretical analysis of the spatial steel frame deformation at the removal of one of the columns is executed. The high accuracy of the models used for research the bearing capacity of frame systems at the sudden local damages is validated.

В настоящее время большое внимание в строительной науке уделяется вопросам разработки методик анализа несущей способности конструкций при запроектных воздействиях [1-4]. В работе [4] предложен подход к решению задач такого типа применительно к металлическим стержневым системам, подвергающимся локальным разрушениям. Рассмотрены конечно-элементные модели, позволяющие оценивать живучесть конструкций в динамической постановке с учетом физически и геометрически нелинейного поведения деформированного объекта. В настоящей работе проводится верификация этой вычислительной процедуры для пространственных стальных рам путем выполнения физического эксперимента.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

Рисунок 2 – Испытательный стенд с образцом

Для проведения испытаний была изготовлена стальная экспериментальная установка (рисунок 1). При получении стержней 1-4 рамы и удаляемой стойки 5 использовались прямоугольные трубы 30х20х1,5 по ГОСТ 8645-68. Узлы соединения стержней 1 и 2, 2 и 3 выполнялись сварными с введением Г-образных вставок 6 и косынок 7. Точность сборки системы стержней 1-3 регулировалась монтажными болтами. Стержни 2 и 4 соединялись при помощи сварки и зажимной обоймы 8. Стержень 4 имел свободное опирание на стойку 5, что обеспечивалось телескопическим механизмом, позволяющим изменять высоту стойки в пределах ±3 см. К стойке 5 присоединялась гибкая связь 9, предназначенная для быстрого удаления стержня из несущей системы. На пластину 10, закрепленную на стержне 4 с помощью обоймы 11 и болтов, устанавливалась балка 12 двутаврового профиля 10Б по ГОСТ 8239-89. Ее масса составляла 30,6 кг. Вертикальная сила от балки на пластину 10 передавалась через ролик 13, который обеспечивал шарнирное опирание двутавровой балки на конструкцию рамы. Правый конец балки ограничивался по вертикальному перемещению упором 14, на левом конце к балке присоединялись металлические диски 15 суммарной массой 41 кг. Рама устанавливалась на опорных балках Б, которые крепились к бетонному полу с помощью скоб С (рисунок 2).

Для нахождения предела текучести материала стержней рамы проводилась серия испытаний образцов прямоугольных труб 30х20х1,5 длиной 0,2 м на разрыв. При этом были получены диаграммы деформирования с выраженной площадкой текучести. Экспериментальное значение предела текучести с доверительной вероятностью 95% составило 580±5 МПа.

При измерении деформаций рамы использовалась крейтовая система сбора данных LTR EU-2 c наборами микросхем LTR 212. Устанавливались тензометрические розетки ТР1-ТР4 (см. рисунок 1) на основе датчиков типа КФ 5П1-3-200Б12 чувствительностью 2,1±0,02 и сопротивлением 200±0,2 Ом. Для фиксации розеток на стержнях рамы использовался клей холодного отверждения «Циакрин ЭО». Все датчики взяты из одной партии и тарировались на балке равного сопротивления. Показания датчиков деформаций снимались с частотой опроса 1500 Гц с использованием свободно распространяемой версии программного комплекса LGraph 2.

Рисунок 3 – Рама после испытания

После быстрого выбиванияния стойки 5 ударом молота наблюдалось соударение стержня Д (см. рисунок 2) с основанием. Рама получила существенные остаточные деформации (рисунок 3). На рисунке 4 приведен полученный в эксперименте график зависимости продольной деформации ε в месте расположения розетки ТР3.

Соответствующая эксперименту расчетная схема рамы представлена на рисунке 5. Рама и балка дискретизировались с помощью стержневых конечных элементов, позволяющих учитывать деформации стержней от растяжения-сжатия, изгиба в двух главных плоскостях и чистого кручения. При этом для стержней рамы принималась во внимание возможность возникновения упруго-пластических деформаций. Использовался также зазорный элемент Z, имитирующий наличие жесткой вертикальной связи при достижении значения f =0, где f – величина зазора.

Рисунок 4 –Зависимость ε от времени

Силы и учитывают вес груза 14 и балки 11 (рисунок 1). Сила R является реакцией со стороны стойки 5 при статическом нагружении объекта. Динамический процесс генерируется путем задания R=0 при t ≥ 0.

Некоторые результаты расчетов и эксперимента представлены в таблице, где – максимальный прогиб точки Т; Е – модуль упругости материала. Из таблицы видно, что достигалось удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных. Расчетным путем установлено появление пласти­ческих деформаций на П-образных участках стержней рамы (рисунок 5).

Рисунок 5 – Расчетная схема объекта с разбивкой на конечные элементы:

S – границы конечных элементов

Таблица 1 – Сопоставление экспериментальных и теоретических данных

, м		, МПа в местах установки розеток				Отклонение расчетных данных от результатов эксперимента, %
		Эксперимент		Расчет
Эксперимент	Расчет	ТР1	ТР3	ТР1	ТР3		ТР1	ТР3
0,070	0,078	274	498	290	435	11	6	13

Заключение

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных под­тверждает достаточно высокую точность предложенных авторами процедур динамического анализа пространственных систем тонкостенных стержней с учетом физической и геометрической нелинейностей реальному поведению конструкций при структурных перестройках.

Литература

1. Клюева, Н.В. К анализу исследований живучести конструктивных си­стем при запроектных воздействиях [Текст] / Н.В. Клюева, А.С. Бухтиярова, Н.Б. Андросова // Строительство и реконструкция. – 2009. – №4. – С. 15-22.

2. Колчунов, В.И. Экспериментально-теоретические исследования пред­напряженных железобетонных элементов рам в запредельных состояниях [Текст] / В.И. Колчунов, Д.В. Кудрина // Строительная механика и расчет со­оружений. – 2010. – №3. – С. 14-17.

3. Осовских, Е.В. Экспериментальные исследования деформирования и разрушения модели фрагмента железобетонного складчатого покрытия в запре­дельных состояниях [Текст] / Е.В. Осовских, В.И. Колчунов, П.А. Афонин // Строительство и реконструкция. – 2012. – №1. – С. 22-27

4. Серпик, И.Н. Анализ в геометрически, физически и конструктивно не­линейной постановке динамического поведения плоских рам при запроектных воздействиях [Текст] / И.Н. Серпик, Н.С. Курченко, А.В. Алексейцев [и др.] // Промышленное и гражданское строительство. – 2012. – №10. – С. 49-51.