Особенности проектирования сооружений на динамическую нагрузку

Освоение больших глубин Мирового океана привело к необходимости переоценки методов проектирования сооружений, предназначенных для разведки и добычи нефти и газа на шельфе. Начиная с 1940г. наблюдается устойчи­вый рост глубин, на которых работают эти сооружения. В настоящее время стационарная платформа установлена на глу­бине 260м (месторождение Санта Барбара Чанел), существует проект аналогичной установки, рассчитанный на 300-метровую глубину (Мексиканский залив).

С проведением разведочных работ на глубинах порядка 1000м потребности в совершенствовании методов проектирования подобных сооружений еще более возрастут.

Определение реакции конструкции (платформы) на динамическую нагрузку составляет наиболее важную часть расчета прочности морских сооружений. Динамический характер нагрузок приводит к увеличению напряжений в конструкции, что может служить причиной их разрушения.

ЭЛЕМЕНТЫ ДИНАМИКИ СООРУЖЕНИЙ

НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Воздействия (нагрузки), изменяющиеся во времени (одновре­менно или раздельно по величине, направлению и положению), при которых массам тела (элемента, сооружения) сообщаются ускоре­ния и вследствие этого возникают силы инерции, называются динамическими.Динамические воздействия вызывают колебания сооружений.

Виды динамических воздействий

Периодические нагрузки. Наиболее часто встречающа­яся их разновидность —вибрационные,изменяющиеся во времени по гармоническому закону. Такие нагрузки возникают, например, при вращении неуравновешенных частей машин.

Импульсные нагрузки. Характеризуются их внезапным и кратковременным действием, часто большой интенсивности. Эти нагрузки могут быть однократными или повторного действия.

Подвижные нагрузк и.Возникают в связи с движением транспорта, грузовых кранов и т. д.

Возможны различные сочетания упомянутых выше нагрузок, а также другие виды динамических нагрузок, например, от ветра, воздействия морской волны и др.

Динамические нагрузки (воздействия) по степени достоверности их определения подразделяют на детерминированные(хорошо определенные) ислучайные.Первые характеризуются единственной во времени зависимостью (графиком), вторые, в силу тех или иных случайных причин, изменчивы и закономерности их изменения во времени могут быть установлены только с определенной вероятностью.

Сейсмические воздействияотносятся к числу кинематических возбуждений и возникают в сооружениях в связи с колебаниями их оснований при движении поверхности Земли во время землетрясения. Они относятся к категории случайных воздействий, хотя в применяемых на практике упрощенных расчетных моделях обычно рассматриваются как детерминированные.

Число степеней свободы системы

Числом степеней свободы механической сис­темы называется число независимых координат (линейных и угловых), определяющих положение всех масс системы в пространст­ве в любой момент времени ее движения. Любая реальная конст­рукция имеет распределенные по объемам ее элементов массы, и поэтому представляет собой систему с бесконечным числом элементарных масс. Поскольку, как было сказано выше, для всего этого бесконечно большого числа масс должно быть определено их положение при движении, постольку о ре­альных конструкциях следует говорить, как о системах с бес­конечно большим числом степе­ней свободы (рис. 1.1,аиг).

Рис. 1.1. Системы с различным числом степеней свободы:

а — с бесконечным; б — с конечным; в — с од­ной степенью свободы при горизонтальных ко­лебаниях; г—е — то же, при вертикальных ко­лебаниях; /—схема конструкции; //—дина­мическая модель системы

Во многих случаях технических расчетов, допуская некоторую погрешность, можно заменить систему с бесконечно большим числом степеней сво­боды системой с конечным числом масс, сосредоточенных в некоторых характерных точках (рис. 1.1,б, д, е).Остальные же участки системы, оставшиеся без масс, рассматриваются как безынерционныйскелет системы,сохранивший, однако, деформационные свойства рассчитываемой конструкции. Такие упрощенные системы являются системами с конечным числом степеней свободы. Места сосредоточения масс обычно выбираются таким образом, чтобы совместить их положение с местами расположения наибольших вертикальных нагрузок. Так, например, при составлении приближенной схемы (расчетной модели) для определения горизонтальных колебаний здания массы его предполагают сосредоточенными на уровне перекрытий. При отсутствии таких нагрузок сосредоточенные массы располагаются равномерно вдоль или по высоте элементов системы, а при наличии в ней таких характерных узлов, как, например, в рамных конструкциях, положения сосредоточенных масс совмещают с положением этих узлов.

В динамике сооружений используются также методы дискретизации масс, основанные на сравнении кинетических энергий действительной системы и ее расчетной модели. Полученные таким образом массы называются приведенными.

Простейшей системой с конечным числом степеней свободы является система с одной степенью свободы. По такой схеме (рис. 1 1,е, в) могут быть рассмотрены, например, горизонтальные колебания в одном из направлений одноэтажной рамы, несущей тяжелое покрытие. Основная часть масс конструкции здесь расположена на уровне покрытия, поэтому рассмотрение ее как системы с одной степенью свободы не вызывает ощутимых погрешностей. Од­нако представление по такой же схеме горизонтальных колебаний дымовой трубы, масса которой равномерно распределена по высоте, внесло бы заметные погрешности в результаты расчета. Подобную конструкцию нужно рассматривать как систему с бесконечным или приближенно с конечным, но достаточно большим числом степеней свободы. Увеличение числа степеней свободы приближает результат к точному, но резко возрастает объем вычислительных операций. Таким образом, одним из важных вопросов, возникаю­щих при решении задач, связанных с колебаниями системы, является ограничение расчетных схем таким минимальным числом' степеней свободы, при котором погрешности в результатах были бы небольшими.