Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы в связи с ростом числа техногенных и природных катастроф все чаще возникает ситуация, когда несущие конструкции, подвергаются воздействию интенсивных мгновенных динамических нагрузок, не предусмотренных проектом. Такие воздействия принято называть запроектными и, как показывает практика, их появление приводит к лавинообразным неожиданным отказам сооружений и, как следствие, значительным материальным потерям и даже гибели людей.
Динамический расчет строительных конструкций в классической постановке теории колебаний на действие аварийных нагрузок представляет сложную задачу, решаемую численными методами.
В то же время известны инженерные методы расчета на такие воздействия, которые, однако, не учитывают силы сопротивления, а также вид напряженно-деформированного состояния.
Решению этой задачи в настоящее время уделяется значительное внимание. Тем не менее, большинство научных публикаций носят все еще теоретический характер. Отсутствие экспериментальных данных о поведении металлических конструкций при внезапных запроектных воздействиях сдерживает развитие методов инженерного расчета и проектирования.
С учетом вышесказанного, исследование влияния динамического упрочнения и рассеивания энергии при колебаниях на результаты инженерных методов расчета металлических конструкций при скоростях и форме импульса динамической нагрузки, возникающей вследствие выключения одной из связей является актуальным.
Цель диссертационной работы - развитие инженерного метода определения динамических усилий в элементах металлических конструкций
при внезапном удалении одной опоры с учетом конструкционного демпфирования и динамического упрочнения материала.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выявить влияние конструкционного демпфирования на амплитудные значения динамических усилий, возникающих в течение 1-го полупериода колебаний;
- выявить масштаб динамического упрочнения металла при скоростях и форме импульса динамической нагрузки, возникающей вследствие выключения одной из связей;
- уточнить инженерный метод определения динамических усилий в элементах строительных конструкций при внезапном изменении расчетной схемы с учетом конструкционного демпфирования;
- провести сопоставление результатов расчета по уточненному инженерному методу с результатами экспериментальных исследований.
Объект исследования – балочные и стержневые металлические конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Предмет исследования – приращения динамических усилий, конструкционное демпфирование и динамическое упрочнение материалов.
Методы исследования – используется экспериментально-теоретический метод; в теоретических исследованиях, которые выполнены в работе, использованы фундаментальные положения теории колебаний и теории живучести железобетонных балочных и рамно-стержневых систем.
Научная новизна работы:
- разработаны испытательный стенд и методика определения амплитудных значений динамических усилий при свободных колебаниях конструкций при скоростях и параметрах нагрузки, возникающих при внезапном удалении опоры;
- выявлена необходимость учета конструкционного демпфирования для определения динамических усилий в течение 1-го полупериода колебаний;
- установлено, что в результате учета эффекта рассеивания энергии при свободных колебаниях максимальные амплитудные значения динамических усилий существенно уменьшаются уже в течение 1-го полупериода колебаний;
- экспериментально установлено, что коэффициенты рассеивания энергии для рассматриваемых систем значительно выше, а эффект динамического упрочнения ниже, чем заявлено в литературных источниках;
- определены значения коэффициентов внутреннего трения (поглощения) для экспериментальных балок и ферм;
Достоверность и надежность научных положений и выводов основывается на использовании общепринятых допущений строительной механики, сопоставлении теоретических результатов с экспериментальными; методологически обоснованным комплексом экспериментальных исследований, с применением сертифицированных лабораторных приборов и оригинальных установок, применением современных средств регистрации деформаций, достаточной воспроизводимостью экспериментальных величин; необходимая для практического использования точность разработанного метода расчета подтверждена удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
Основные результаты, полученные автором, которые выносятся на защиту:
методика и результаты экспериментальных исследований неразрезных балок и ферм при внезапном удалении опоры, позволившие обосновать необходимость учета конструкционного демпфирования в течение 1-го полупериода колебаний;
методика и результаты экспериментальных исследований по оп-
ределению динамического предела текучести стали, позволившие определить масштабы динамического упрочнения при скоростях и параметрах нагружения, соответствующих условиям внезапного удаления опоры;
уточнение метода Гениева Г.А. по определению динамических усилий при внезапном изменении расчетной схемы позволившее учесть эффект конструкционного демпфирования в металлических конструкциях, вид напряженного состояния и распределения масс;
- сопоставление опытных и расчетных значений динамических усилий полученных, по предлагаемой аналитической зависимости, по методике Гениева Г.А. и по классической теории колебаний, которое подтверждает достаточную точность предлагаемого подхода.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены и обсуждались на научно-практической конференции Неделя науки - 2008 "Наука МИИТа - транспорту, на научно-практической конференции Неделя науки - 2009 "Наука МИИТа - транспорту, на научно-практической конференции Неделя науки - 2010 "Наука МИИТа - транспорту. В полном объеме работа доложена и одобрена на заседании кафедры "Строительные конструкции, здания и сооружения" Московского государственного университета путей сообщения.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Скорректированный инженерный метод Гениева Г.А. по определению динамических усилий в балочных и стержневых металлических конструкциях с учетом эффекта конструкционного демпфирования и вида напряженного состояния позволяет получить лучшую сходимость с расчетами по классической теории динамики сооружений и с данными экспериментов.
Результаты проведенных исследований использовались при проектировании несущих конструкций здания ППО Нижнетагильского металлургического комбината и здания производственного предприятия по изготовлению подшипников в Щуровском районе г.Коломна, а также используются
в учебном процессе Московского государственного университета путей сообщения в рамках курса "Усиление и замена строительных конструкций при реконструкции" и дипломном проектировании".
Публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 126 наименований. Основной текст изложен на 134 страницах, который иллюстрируется 72 рисунками и 21 таблицей.
