2255

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Список литературы

1.Мухамедиев, Т.А. Расчет по прочности нормальных сечений железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами / Т.А. Мухамедиев //Бетон и железобетон. – 2013. – №6. – С. 20–23.

2.Гучкин, И.С. Арматура из стеклопластика с песчаным напылением поверхности / И.С. Гучкин, С.О. Шишкин // Эффективные строительные конструкции: теория

ипрактика: сб. – Пенза, 2016. – С. 61–65.

References

1.Mukhamediev, T.A. Calculation of the strength of normal sections of reinforced concrete structures reinforced with composite materials / T.A. Mukhamediev // Concrete and reinforced concrete. – 2013. – №6. – P. 20–23.

2.Guchkin I.S., Shishkin S.O. Fiberglass reinforcement with sandy surface spraying / I.S. Guchkin, S.O. Shishkin // Effective building structures: theory and practice. – Penza, 2016. – P. 61–65.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.011.1

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХСЛОЙНОЙ ПАНЕЛИ С ВОЛОКНИСТЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ ПРИ ДЕЙСТВИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ И СОСРЕДОТОЧЕННОЙ НАГРУЗОК*

О.М. Устарханов, Х.М. Муселемов, Г.Г. Ирзаев

Рассмотрены трехслойные конструкции, обладающие при малом весе повышенной жесткостью на изгиб, что позволяет получить значительный выигрыш в весе для конструкций, воспринимающих сжимающие усилия. Выведены аналитические зависимости для расчета трехслойной конструкции, на которую действует равномерно распределенная по поверхности нагрузка в сочетании со сжимающим усилием, воздействующим в плоскости срединной поверхности конструкции, и сосредоточенной импульсной силой.

Ключевые слова: трехслойная конструкция, несущий слой, динамическая нагрузка, волокнистый материал, импульсная сила

ANALYSIS OF SANDWICH PANEL WITH A FIBER FILLER UNDER THE ACTION OF DYNAMIC EVENLY DISTRIBUTED AND CONCENTRATED LOADS

O.M. Ustarkhanov, K.M. Muselemov, G.G. Irzaev

Sandwich structures have an increased bending stiffness with low weight which makes it possible to achieve a significant saving of weight for the structures taking compressive forces. The analytical dependences for analysis of sandwich structure, which is subjected to a load uniformly distributed over the surface in combination with a compressive force acting in the plane of a structure middle surface and a concentrated impulse force, have been derived in the article.

Keywords: sandwich structure, base layer, dynamic load, fibrous material, impulse force

* Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-6112.2018.8.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Трехслойные пакеты обладают высокими теплоизолирующими, звукопоглощающими и радиотехническими свойствами, что является немаловажным фактором при эксплуатации ряда современных строительных объектов различного назначения. Опыт эксплуатации и отработки объектов с применением трехслойных конструкций позволяет говорить о соответствии их таким функциональным требованиям, как достаточная несущая способность, долговечность, высокое термическое сопротивление и звукоизоляция, низкая стоимость в монтаже и эксплуатации, в целом высокая эффективность.

Наиболее полно всем этим требованиям удовлетворяют трехслойные панели с наружными слоями из листовых материалов – металла, асбестоцемента – и средним слоем в форме сот, перемычек, гофрировки из резины, пробки, древесины, пластмассы (рис. 1). Наружные слои такой конструкции способны воспринимать усилия растяжения и сжатия, однако промежуточный слой обладает низкой прочностью на сдвиг. Несущая способность всей панели во многом зависит от жесткости среднего слоя.

Рис. 1. Общий вид трехслойной конструкции

Требования, предъявляемые к современным трехслойным панелям, непрерывно повышаются, что приводит к необходимости решения различных задач по определению их параметров [1–6]. Они должны быть легкими и прочными, воспринимать статические и динамические нагрузки, обладать многофункциональностью.

В статье рассматривается задача по расчету трехслойной панели, на которую действует равномерно распределенная по поверхности нагрузка в сочетании со сжимающим усилием, воздействующим в плоскости срединной поверхности конструкции, и сосредоточенной импульснойсилой. Расчетнаясхемаконструкциипредставленанарис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема трехслойной панели

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Сама трехслойная конструкция состоит из несущих слоев и дискретного заполнителя, наполненного волокнистым материалом. Расчет конструкции на действие равномерно распределенной нагрузки можно произвести с помощью зависимостей, представленных в [7], для определения приведенных характеристик использовать зависимости, предложенные в [8–12].

Действующие в несущих слоях максимально нормальные напряжения равны:

где N – интенсивность на единицу длины контура сжимающих усилий; q – интенсивность на единицу площади равномерно распределенной нагрузки; m2 – коэффициент, зависящий от характера закрепления кромок.

Сдвигающие напряжения в заполнителе определяются как

Критическая напряженность потери устойчивости трехслойной конструкцией (пластиной) при рассматриваемой схеме нагружения равна:

Варьируя величинами t, E1,2, h, Gxz3 , γ1,2, при заданных q, N, b можно, исходя из зависимостей

max кр, сдв xz3 ,

получить параметры трехслойной конструкции, близкие к оптимальным, при действии равномерно распределенной нагрузки q и сжимающих усилий N.

Масса трехслойной конструкции равна:

где a, b – размеры трехслойной конструкции в плане; ρi – плотность материала слоев трехслойной конструкции (i = 1, 2, 3).

Приведенная весовая эффективность трехслойной конструкции:

Требование, предъявляемое к трехслойной конструкции, подверженной действию импульсивной сосредоточенной нагрузки, заключается в том, что при воздействии

ударника массой mуд , имеющего начальную скорость v0 , конструкция должна:

а) погасить скорость до величины v1 , которая обусловлена предельным запреградным действием ударника, при этом конструкция становится негерметичной;

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

б) погасить скорость до величины v1 0 , что соответствует требованию сохра-

нения герметичности конструкции.

Исходя из вышеприведенного, можно записать условие распределения величин скоростей, которые гасятся на каждом слое трехслойной конструкции

Исходя из того, что энергия пробивания коническим ударником несущего слоя равна [2]:

где σT – предел прочности материала пробиваемого слоя; t – толщина пробиваемого слоя; R – радиус ударника; L – длина головки ударника; 1,2 – потеря скорости на

пробиваемом несущем слое. Тогда

При равных толщинах и материалах несущих слоев получим:

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Таким образом, энергия пробивания несущих слоев равна энергии ударника (при условии v1 0 ), которая рассчитывается как

Толщина полученного несущего слоя t1,2пр должна быть не меньше t1,2, полученной при учете несущей способности от распределенной нагрузки.

Тогда масса трехслойной конструкции будет равна:

будет равна или меньше единицы. При Mтк 1 усиления не требуется.

Если принять, что для повышения стойкости трехслойной конструкции к действию сосредоточенной импульсной нагрузки применяется волокнистый материал, то следует вычислить скорость ударника, теряемую на пробивание несущих слоев толщиной t1,2. Скорость определяется из условия прочности к действию распределенной и продольной сжимающей нагрузок как

Из условия равенства нулю запреградной скорости v1 0 находим величину скорости, которую следует погасить на волокнистом материале, как

Из построенного по экспериментальным данным графика, приведенного на рис. 3, можно определить необходимую плотность волокнистого материала, обеспечиваю-

щую потерю скорости ударником заданной массы и геометрии, равную 3 . Определив 3 вм, найдем массу трехслойной конструкции:

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Рис.3. Зависимость относительной толщины пробивания ударником от плотности волокнистого материала

Относительная весовая эффективность трехслойной конструкции будет равна:

При Mтк2 1 усиления не требуется. Эффективность того или иного метода

усиления трехслойной конструкции для придания стойкости к воздействию импульсной сосредоточенной силы может быть определена из соотношения

ВЫВОДЫ

1.Предложен инженерный метод расчета параметров трехслойной стеновой панели с дискретным заполнителем, межслойное пространство которой заполнено волокнистым материалом, при одновременном действии сосредоточенной динамической силы, равномерно распределенной по поверхности нагрузки в сочетании со сжимающими усилиями, действующими в плоскости срединной поверхности конструкции.

2.Полученные экспериментальным путем зависимости толщины пробивания волокнистого материала от его плотности позволяют рассчитать эффективные характеристики трехслойной конструкции при заданных внешних воздействиях.

Список литературы

1.Vibration analysis of bilayered FGM cylindricalshells / S.H. Arshad [etc.] // J. Appl. Mechanics. – 2011. – Vol. 8 (81). – P. 319–343.

2.Singh, Bhagat. Dynamic analysis of damping in layered and welded beams / Singh Bhagat, Bijoy Kumar Nanda // J. Engineering Structures. – 2013. – Vol. 48. – P. 10–20.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

3.Dao Van Dung Nonlinear buckling and post-buckling analysis of eccentrically stiffened functionally graded circular cylindrical shells under external pressure / Dao Van Dung, Kha Hoa Le // J. Thin-Walled Structures. – 2013. – Vol. 63. – Р. 117–124.

4.Pentaras, D. Polar Orthotropic Inhomogeneous Circular plates: Vibration Tailoring / Pentaras D., Elishakoff I. // J. Appl. Mechanics. – 2010. – Vol. 77 (3). – P. 310-319.

5.Li Peng. The aeroelastic stability and bifurcation structure of subsonic nonlinear thin panels subjected to external excitation / Li Peng, Yang Yiren, Xu Wei, Chen Guo // J. Arch. Appl. Mech. – 2012. – Vol. 82. – P. 1251–1267.

6.Avades, K. Free vibration analysis of laminated composite plates with elastical lyrestained edges using FEM / K. Avades, N.D. Sharma // Central European Journal of Engineering. – 2013. – Vol. 3 (2). – P. 306-315.

7.Биргер, И.А. Прочность. Устойчивость. Колебания / И.А. Биргер, Я.Г. Пановко. – М.: Машиностроение, 1968. – 463 с.

8.Гольдсмит, В. Удар. Теоретические и физические свойства соударяемых тел / В. Гольдсмит.– М.: Стройиздат, 1965. – 448 с.

9.Определение оптимальных размеров и форм сотового заполнителя для трехслойной конструкции при действии статической нагрузки / О.М. Устарханов, Х.М. Муселемов, У.А. Киявов, Т.О. Устарханов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2013. – № 3, Т.30. –

С. 48–54.

10.Устарханов, О.М. Экспериментальное исследование прочности конического заполнителя для трехслойных конструкций / О.М. Устарханов, М.С. Алибеков, Т.О. Устарханов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2014. –

№9. – С. 54–59.

11.Устарханов, О.М. Экспериментальные исследования трехслойных балок с пирамидальным дискретным заполнителем / О.М. Устарханов, Х.М. Муселемов, Т.О. Устарханов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2016. –

№2. – С. 59–64.

12.Керимов, Р.М. Расчет трехслойных конструкций при динамическом нагружении сосредоточенной нагрузкой / Р.М. Керимов, Х.М. Муселемов, О.М. Устарханов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2015. – № 3 (38). – С. 110–118.

References

1.Vibration analysis of bilayered FGM cylindricalshells / S.H. Arshad [etc.] // J. Appl. Mechanics. – 2011. – Vol. 8 (81). – P. 319–343.

2.Singh, Bhagat. Dynamic analysis of damping in layered and welded beams / Singh Bhagat, Bijoy Kumar Nanda // J. Engineering Structures. – 2013. – Vol. 48. – P. 10–20.

3.Dao Van Dung Nonlinear buckling and post-buckling analysis of eccentrically stiffened functionally graded circular cylindrical shells under external pressure / Dao Van Dung, Kha Hoa Le // J. Thin-Walled Structures. – 2013. – Vol. 63. – Р. 117–124.

4.Pentaras, D. Polar Orthotropic Inhomogeneous Circular plates: Vibration Tailoring / Pentaras D., Elishakoff I. // J. Appl. Mechanics. – 2010. – Vol. 77 (3). – P. 310-319.

5.Li Peng. The aeroelastic stability and bifurcation structure of subsonic nonlinear thin panels subjected to external excitation / Li Peng, Yang Yiren, Xu Wei, Chen Guo // J. Arch. Appl. Mech. – 2012. – Vol. 82. – P. 1251–1267.

6.Avades, K. Free vibration analysis of laminated composite plates with elastical lyrestained edges using FEM / K. Avades, N.D. Sharma // Central European Journal of Engineering. – 2013. – Vol. 3 (2). – P. 306-315.

7.Birger, I.A. Strength. Stability. Fluctuations / I.A. Birger, Y.G. Panovko. – M., Machine building, 1968. – 463 p.

8.Goldsmith, B. Theoretical and physical properties of colliding bodies / B. Goldsmith. – M.: Stroyizdat, 1965. – 448 p.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

9.Determination of honeycomb filler optimum sizes and shapes for sandwich structure under the action of static load / O.M. Ustarkhanov, K.M. Muselemov, U.A. Kiyavov, T.O. Ustarkhanov // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical Sciences. – 2013. – No.3, Vol. 30. – P. 48–54.

10.Ustarkhanov, O.M. Experimental study of the conical filler strength for sandwich structures / O.M. Ustarkhanov, M.S. Alibekov, T.O. Ustarkhanov // Proceedings of the Higher Educational Institutions. Machine building. – 2014. – Vol. 9. – P. 54–59.

11.Ustarkhanov, O.M. Experimental studies of sandwich beams with a discrete pyramidical aggregate / O.M. Ustarkhanov, K.M. Muselemov, T.O. Ustarkhanov // Proceedings of the Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering. – 2016. – Vol. 2. – P. 59–64.

12.Kerimov, R.M. Analysis of sandwich structures when subjected to dynamic loading with a concentrated load / R.M. Kerimov, K.M. Muselemov, O.M. Ustarkhanov // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical Sciences. – 2015. – Vol. 3 (38). – P. 110–118.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.014.2.072.23.046.5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВНЫХ НЕРАЗРЕЗНЫХ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК

И.Н. Гарькин

Приведены результаты теоретических исследований неразрезных подкрановых балок методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS. Результаты исследований подтверждены при испытаниях металлических двутавровых сварных подкрановых балок в лаборатории «Выносливость подкрановых конструкций» кафедры «Строительные конструкции» ПГУАС.

Ключевые слова: подкрановая балка, циклические испытания, предел выносливости, методы расчёта, метод конечных элементов, ANSYS

THEORETICAL STUDIES OF COMPOUND CONTINUOUS

OVERHEAD CRANE BEAMS

I.N. Garkin

The results of theoretical studies of continuous crane beams by the finite element method using the ANSYS software are presented. The results of the studies were confirmed during testing of metal I-beams of crane girders in the laboratory «Endurance of crane structures» of the department «Building structures» of PGUAS.

Keywords: crane beam, cyclic tests, endurance limit, calculation methods, finite element method, ANSYS

При расчёте подкрановых балок промышленных зданий и сооружений на выносливость всегда должен учитываться циклический характер динамических воздействий от мостовых кранов. В подрельсовой зоне стенки подкрановой балки развиваются усталостные трещины, увеличивающие до опасного уровня возможность разрушения конструкций. Процесс накопления повреждений протекает постепенно.

Этот процесс обычно определяется как усталость металла; соответствующее разрушение называют усталостным. Аварии в цехах цветной и черной металлургии или на ТЭЦ обычно ведут к катастрофическим последствиям (человеческие жертвы, существенный материальный ущерб). Актуальность проблемы возрастает в связи с быстрым обветшанием промышленного фонда страны.

Ниже приводятся результаты теоретических исследований и расчет на выносливость конструкции подкрановой балки (сталь из стандартной библиотеки ANSYS), нагруженной заданными подвижными нагрузками от крана.

Основные задачи исследований:

–определение наиболее неблагоприятного положения мостового крана, при котором возникают наибольшие изгибающие моменты в сечениях конструкции;

–определение напряжений в элементах конструкции в наиболее нагруженном сечении балки;

–оценка выносливости (определение количества циклов до начала разрушения конструкции от заданных подвижных нагрузок по критерию превышения предельных касательных напряжений).