Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Конструктивные решения кружально-сетчатых сводов 9
1.2. Анализ методов расчета кружально-сетчатых сводов 18
1.3. Постановка цели и задач исследования 21
2. Особенности формообразования конструкций кружально-сетчатых сводов цольбау 23
2.1. Определение габаритных размеров нестандартных косяков в сомкнутых сетчатых сводах 23
2.2. Алгоритм и краткое описание программы для определения геометрических параметров укороченных косяков 34
2.3. Выводы 43
3. Инженерный расчет кружально-сетчатого свода 44
3.1. Конечноэлементный расчет кружально-сетчатого свода с помощью расчетно-вычислительного комплекса POLYGON 44,
3.2. Выводы 55
4. Несущая способность узла кружально-сетчатого свода системы цольбау 56
4.1. Влияние трения между косяками в деревянном кружально-сетчатом своде системы Цольбау 56
4.2. Оценка податливости узла кружально-сетчатого свода по модели трансверсально-изотропной среды 60
4.3. Определение несущей способности узла кружально-сетчатого свода системы Цольбау методом конечных элементов 67
4.4. Выводы 74
5. Экспериментальное исследование податливости узла кружально-сетчатого свода цольбау 75
5.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 75
5.2.Описание модели конструкции узла кружально-сетчатого свода Цольбау 76
5.3. Выбор оборудования и приспособлений для проведения испытаний 76
5.4. Методика проведения экспериментальных исследований 83
5.5. Исследование податливости узла кружально-сетчатого свода Цольбау 84
5.6. Выводы 91
Заключение 92
Библиографический список
- Анализ методов расчета кружально-сетчатых сводов
- Алгоритм и краткое описание программы для определения геометрических параметров укороченных косяков
- Оценка податливости узла кружально-сетчатого свода по модели трансверсально-изотропной среды
- Выбор оборудования и приспособлений для проведения испытаний
Введение к работе
Поиски архитектурных форм большой выразительности и универсальности, образуемых на основе многократно повторяющихся элементов, привели к созданию пространственных систем, возможности практического использования которых далеко не исчерпаны, и в отношении которых наблюдается процесс постоянного их совершенствования, как с конструктивной точки зрения, так и с позиций разработки методов их расчета. Пространственные конструкции из прямолинейных или криволинейных стержней сочетают в себе легкость с высокой несущей способностью, что обеспечивает их широкое применение при конструировании сетчатых покрытий из металла, дерева и пластмасс.
Благодаря своей архитектурной выразительности, технологичности возведения и удобству эксплуатации в практике отечественного и зарубежного строительства большое распространение находят деревянные кружально-сетчатые своды Цольбау.
Большой вклад в теорию стержневых оболочечных конструкций внесли отечественные ученые: А.В. Александров, P.O. Бакиров, А.С. Вольмир, В. И. Колчунов, Д.А. Кочетков, Б.А. Освенский, И.Г. Попов, Г.И. Пшеничнов, В.И. Савельев, В.И. Трофимов.
Актуальность темы. Современное развитие строительной науки и техники ведет к совершенствованию существующих и созданию новых пространственных стержневых строительных конструкций. Индустриальность, малая монтажная масса, экономическая эффективность и эстетичный вид конструкций становятся главными критериями их выбора для строительства, что особенно актуально для строительных конструкций из древесины, которая является возобновляемым экологическим ресурсом.
При проектировании деревянных кружально-сетчатых сводов для определения геометрических параметров конструктивных элементов пользуются формулами согласно приближенной методике, которая в настоящее время не отвечает возможностям их заводского изготовления. Поэтому возникает необходимость в уточнении расчетных методов и автоматизации определения геометрических размеров конструктивных элементов кружально-сетчатых сводов с узловыми соединениями на болтах.
Несмотря на вековой опыт строительства кружально-сетчатых сводов, для них остается нерешенным ряд вопросов, связанных с разгружающим влиянием трения в узлах.
Совершенно неизученными остаются проблемы податливости .узла кружально-сетчатого свода Цольбау, что в целом и обуславливает актуальность проведения теоретических и> экспериментальных исследований.
Целью диссертации является совершенствование методики определения напряженно-деформированного состояния пространственных систем покрытия, оценки несущей способности и деформативности узла деревянного кружально-сетчатого свода с болтовым соединением с учетом податливости.
Для достижения поставленной цели, решаются следующие задачи:
- выявление особенностей напряженно-деформируемого состояния (НДС)
элементов из цельной древесины вблизи узла КСС-типа Цольбау с учетом
трансверсальнои изотропии материала и сил трения по плоскости сопряжения
сквозного и набегающего косяков;
получение расчетных зависимостей для автоматизированного определения геометрических параметров элементов сомкнутого кружально-сетчатого свода (КСС) системы Цольбау;
- разработка алгоритма и составление программного обеспечения для
проектирования деревянных элементов (косяков), примыкающих к ребру
(гурту) сомкнутого КСС;
создание рычажной модели для испытания фрагмента КСС, обеспечивающую неизменность усилий в элементах при податливости в узле;
- проведение экспериментальных исследований податливости узла КСС
типа Цольбау;
- проведение численных исследований узла КСС с использованием
твердотельного моделирования;
оценка сходимости значений деформаций и перемещений в элементах исследуемой конструкции, полученных расчетом, с экспериментальными;
анализ напряженно-деформированного состояния КСС на основе упругой стержневой конечноэлементной модели, учитывающей геометрическую нелинейность.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработана эффективная методика расчета и экспериментальных
исследований деревянных кружально-сетчатых сводов наиболее полно
учитывающая специфику свойств материала и конструктивных решений;
- расчетным путем исследовано на основе анализа компьютерной модели,
напряженно-деформированное состояние узла кружально-сетчатого свода
Цольбау;
получены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния узла кружально-сетчатого свода Цольбау;
выполнено обобщение результатов математического и физического моделирования кружально-сетчатых сводов;
- разработана методика автоматизированного расчета координат точек
пересечения осей косяков с осью криволинейного ребра сомкнутого КСС, длин
стержневых элементов, примыкающих к гурту.
Достоверность научных положений и полученных результатов исследований обусловлена использованием обоснованных математических моделей задач теории упругости, применением современных средств измерительной и вычислительной техники, а также сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
7 Разработанные в диссертации методики и алгоритмы позволяют повысить качество проектных работ, сократить сроки и трудоемкость монтажа кружально-сетчатых сводов с узловыми соединениями на болтах, в том числе сомкнутых.
разработан алгоритм программы для ЭВМ «Определение геометрических параметров^ кружально-сетчатого свода» (SVOD): Программа прошла государственную регистрацию, получено- свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 5552'от 30:01.2006;
сконструирован стенд для* исследования податливости узла кружально-сетчатого свода: Конструкция стенда прошла государственную- регистрацию, получен патент на полезную модель № 58565 от 17 мая*2006г.
Реализация работы.
- результаты работы и практические рекомендации внедрены в>курсовом и
дипломном проектировании студентов специальностей 27010265-
«Промышленное и гражданское строительство» и 27010565 «Городское
строительство и хозяйство» Южно-Российского государственного технического,
университета (Новочеркасского политехнического института);
- разработанные в диссертационной работе методики и алгоритмы программ для расчета пространственных покрытий в настоящее время внедрены в межвузовском проектном бюро (ЮРГТУ (НПИ)) и в Новочеркасском отделе института «Ростовгражданпроект».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
52-й и 53-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ);
научных семинарах кафедры металлических, деревянных и пластмассовых конструкций-(РГОУ, 2003-2007 гг.);
- Ш Международной- научно-практической конференции «Моделирование.
Теория, методы и средства» (ЮРГТУ, 2003 г.);
юбилейной Международной научно-практической конференции «Строительство-2004» (РГСУ, 2004 г.);
международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства», посвященной памяти профессора И.С. Дурова (ЮРГТУ, 2004 г.);
международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию ЮРГТУ (НПИ) 1907-2007 гг. «Строительный факультет - 100-летию университета» (ЮРГТУ, 2007 г.);
научных семинарах кафедры строительной организации (Дрезденский технический университет, 2007-2008 гг.)
На защиту выносятся:
алгоритм математического моделирования конструктивных элементов сомкнутого кружально-сетчатого свода системы Цольбау;
результаты численных исследований деформативности узла конструкции свода с использованием твердотельного моделирования;
- результаты экспериментальных исследований деформативности узла
конструкции свода.
Анализ методов расчета кружально-сетчатых сводов
При проектировании пространственных деревянных конструкций обычно применяются традиционные методы, основанные на расчетных моделях, которые не отражают в полной мере специфику рассматриваемых конструкций.
Так, например, метод, предложенный Р. Отценом в 1923 году [107], который лег в основу «Норм и Технических Условий проектирования деревянных конструкций». Используемая при этом расчетная модель не лишена недостатков, поскольку работа регулярной пространственной стержневой конструкции цилиндрической формы не эквивалентна работе плоской конструкции арки сплошного сечения. Для учета влияние торцовых диафрагм жесткости вводится коэффициент фронтона, для определения которого необходимо проведение дополнительных экспериментов, как на малых моделях, так и конструкциях, изготовленных в натуральную величину.
При расчете кружально-сетчатого свода вырезается полоса шириной, равной расстоянию между узлами по образующей свода, которая рассматривается как арка сплошного сечения. Пространственная работа конструкции учитывается эмпирическим коэффициентом, уменьшающим арочный изгибающий момент, который зависит от величины отношения расстояния между диафрагмами жесткости к длине дуги арки. По арочному моменту и нормальной силе определяются величины изгибающих моментов и нормальных сил, действующих в поперечных сечениях косяков. Подобный метод расчета, предложенный Отценом, был развит и дополнен В.А. Замараевым, В.М. Коченовым и другими учеными [32,46,63].
Одним из новых направлений в теории расчета сетчатых оболочек является направление, связанное с условным переходом к сплошной среде с последующим расчетом эквивалентной сплошной оболочки методами теории упругости [1,9,42,49]. В этих методах основным вопросом является, возможно, более точный переход от дискретной среды к сплошной и в дальнейшем обратный переход от полученных величин напряженно-деформированного состояния сплошной оболочки к усилиям в дискретной системе.
При создании, приближенной теории расчета однослойной конструкции цилиндрической оболочки, поверхность которой характеризуется конструктивной сетью с ромбовидными ячейками, на первый план выдвигается задача определения свойств многократно повторяющегося элемента регулярной сети с учетом действительного характера соединений стержней в ее узлах, когда, например, один из стержней проходит в узле не прерываясь, а два других к нему шарнирно присоединяются с двух сторон, причем так, что эти шарниры чередуются в своем расположении в зависимости от того, присоединяются ли они к стержням семейств лево- или правовинтового направления. Упругие характеристики расчетной модели — жесткости на изгиб, кручение, коэффициенты Пуассона — определяются- на основе анализа упругих свойств регулярно повторяющегося элемента, составляющего оболочку и распространением их на расчетную модель в целом. Далее выполняется расчет полученной таким образом эквивалентной сплошной оболочки в соответствии с особенностями ее загружения- и краевыми условиями. Определив усилия в сечениях сплошной оболочки, возвращаются к исходной сетчатой- системе для определения усилий и моментов в отдельных стержнях.
Важной особенностью такого метода расчета стержневых оболочек является то обстоятельство, что конструкция рассматривается как единое целое, чтоочень важно для исследования ее устойчивости.
Гипотезы, положенные в основу метода заменяющей- складки - метода В.З. Власова, послужили базой для создания «полумоментной» теории расчета цилиндрических оболочек [10,11]. Однако применение к стержневой пространственной системе уравнений теории сплошных оболочек приводит порой к искажению действительного напряженно-деформированного состояния сетчатой оболочки. В более строгой постановке с использованием теории тонких пологих оболочек В.З. Власова эта задача была впервые рассмотрена и решена в работах Г.И. Пшеничнова [66-71], в которых дискретная сетчатая оболочка заменяется сплошным аналогом.
Позже Д. Аргирисом были сформулированы основные принципы дискретной идеализации сплошных систем и дано описание в матричной форме алгоритма их расчета. Применение ЭВМ при исследовании- пространственных стержневых конструкций позволяет широко использовать матричные методы расчета. На основе этих методов отечественными учеными был предложен способ расчета пространственных регулярных стержневых систем, суть которого сводится к матричному методу перехода от регулярных структур к сплошной заменяющей .среде [17,50,51,90,94].
К числу эффективных методов численного, расчета стержневых пространственных конструкций относится метод конечных элементов. Данный метод применяется к расчету дискретных конструкций как прием построения и исследования- систем фиксированных элементов с конечным числом степеней свободы, а также применяется в форме метода перемещений, метода сил, смешанного метода, что позволяет рассчитывать конструкции, состоящие из разномерных элементов. Большое количество алгебраических уравнений, получаемых при1 расчете сложных статически неопределимых систем, привело в свою очередь к созданию ряда специальных программ для их решения на ЭВМ [2,62,87].
Алгоритм и краткое описание программы для определения геометрических параметров укороченных косяков
На основании теоретического решения, изложенного в п. 2.1, в системе программирования Delphi [89] автором составлен проект по определению геометрических параметров косяков кружально-сетчатого свода Цольбау. Обобщенная блок-схема программы «Определение геометрических параметров косяков кружально-сетчатого свода» (SVOD) приведена на рис. 2.7. Развернутая блок-схема для расчета геометрических параметров левых косяков приведена на рис. 2.8, для расчета правых косяков блок-схема запишется аналогично со сменой знаков в соответствующих уравнениях.
Угол поворота косяка Цольбау по отношению к центрированной сетке ( град.) является корнем нелинейного уравнения (2.14), для определения которого применяется метод касательных Ньютона.
Метод Ньютона представляет собой итерационное нахождение уравнения Д) = о, где /() - дважды дифференцируемая функция. Последовательные приближения вычисляются по формуле + = _ІЮ. к = о, 1, 2... / (Г) Метод Ньютона обладает квадратичной скоростью сходимости. Существует правило [36], согласно которому начальное приближение, которое обеспечивает сходимость метода Ньютона, должно удовлетворять условию: Л1(0))-/"«(0)) о, где /( ) - решаемое уравнение, (0)- начальное приближение. Корень уравнения /( ) = 0 определяем с точностью 0,001. Для определения угла поворота косяка Цольбау по отношению к центрированной сетке в качестве начального приближения выбираем (0) = 0, % так как значения угла находятся в пределах Для определения параметров косяков вычисляются координаты точек пересечения осей косяков с осью ребра свода (X, S). Координата X является корнем трансцендентного уравнения (2.15), для решения которого применяется метод половинного деления.
Нахождение координат X методом половинного деления основано на условии: если f{XK)- f(XK l) 0, тогда Хк+Х =-(хк +ХК 1).
Метод половинного деления прост и надежен; к простому корню он сходится для любых непрерывных функций, в том числе недифференцируемых; при этом он устойчив к ошибкам округления. Скорость сходимости невелика:, за одну итерацию точность возрастает примерно вдвое. Зато точность ответа гарантируется [36].
Метод применяется, когда требуется высокая надежность счета, а скорость сходимости малосущественна. Решение уравнения определяется точностью 0,001.
При выводе результатов расчета использовались возможности Delphi по отражению данных в графическом виде (рис. 2.11).
Было проведено тестирование программного продукта. В программе был рассчитан цилиндрический свод радиусом R=12 м, состоящий из косяков толщиной 5=3 см, центральный угол свода (3=180. При этом выполнен расчет по определению геометрических параметров укороченных косяков при центрированной и нецентрированной сетках. Построена развертка торцевой поверхности свода с осями укороченных косяков при центрированной и, соответственно, нецентрированной сетке (рис. 2.9-2.11).
Предложенная методика определения геометрических параметров5 основных конструктивных элементов кружально-сетчатых сводов в равной мере относится к конструкциям с центрированной и нецентрированной сетками.
Автором впервые разработан алгоритм и составлена программа «Определение геометрических параметров косяков кружально-сетчатого свода» (SVOD). Получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 5552. Программа протестирована на примерах.
Программа определения геометрических параметров косяков кружально-сетчатого свода универсальна, составлена на языке программирования высокого уровня (язык - Object Pascal, система программирования — Delphi [89]), применима для современных персональных компьютеров, позволяет вычислить геометрические параметры косяков сомкнутого кружально-сетчатого свода при центрированной и нецентрированной сетках.
Программа SVOD позволяет конструктору получить улучшенные проектные решения, непосредственно в процессе расчета визуально оценить полученные результаты, что повышает качество выполняемой работы, сокращает затраты труда. Данный программный продукт имеет возможность индустриального применения и прост в использовании.
Для анализа картины напряженно-деформированного состояния 5 деревянного кружально-сетчатого свода рационально применение конечноэлементной модели.
В данном исследовании использован, разработанный профессором Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) П.П. Гайджуровым, вычислительный конечноэлементный комплекс POLYGON, предназначеныи для решения научно-исследовательских и промышленных задач в области машиностроения и строительства [15]. Вычислительный комплекс прикладных программ POLYGON разработан для статического, квазистатического и динамического конечноэлементного анализа объемно-стержневых систем при различных видах силового воздействия.
В расчетной практике широкое распространение находят как стержневые системы (фермы, рамы), так и комбинации стержневых, объемных и пластинчатых элементов. С помощью стержневых конечных элементов можно моделировать работу пространственных конструкций покрытия.
Диапазон применения стержневых КЭ постоянно расширяется. Данные элементы соединяют парные узлы объемных КЭ, которые в принципе могут вступить в контакт. При „включении" контактного элемента коэффициенты матрицы жесткости вычисляются в соответствии с законом пластического течения с линейным упрочнением.
Ниже приведены, данные необходимые для вычисления матрицы жесткости пространственного прямолинейного стержневого элемента без учета сдвига.
Оценка податливости узла кружально-сетчатого свода по модели трансверсально-изотропной среды
Одним из методов численного решения задач строительной механики является метод конечных элементов (МКЭ) [34, 35, 54, 55, 73]. С его помощью можно получить информацию о напряженно-деформированном состоянии твердых тел. .
Метод конечных элементов, получивший большое распространение с развитием вычислительной техники, относится к числу эффективных методов численного расчета стержневых пространственных конструкций. Метод конечных элементов к. расчету дискретных конструкций применяется как, прием построения и исследования систем фиксированных элементов с конечным числом степеней свободы, и применяется в форме метода перемещений, метода сил, смешанного метода, что позволяет рассчитывать конструкции, состоящие из разномерных элементов. Большое количество алгебраических уравнений, получаемых при расчете сложных статически неопределимых систем, требует в свою очередь создания специальных программ для их решения на ЭВМ [19,20,38,64,92].
Появление современных вычислительных комплексов типа COSMOS/M позволило перейти на так называемое «твердотельное» моделирование, когда каждый отдельный- элемент рассматриваемого составного тела заменяется набором КЭ в виде призм или пирамид, и полученные блоки объединяются, в расчетную- модель. Описанный прием дает возможность получить наиболее близкую к действительности картину работы конструкции.
Расчеты узла КСС проводились по программе COSMOS/WORKS версии 6.0, позволяющей учитывать свойства древесины. Это специальный пакет программ, разработанный для использования4 в среде Windows совместно с комплексом твердотельного моделирования Solid Works 2006. Последняя-программа широко используется в машиностроении при проектировании различных объектов.
Изначально для проверки правильности учета трансверсальной изотропии материала был решен ряд тестовых задач.
Тестовый пример 1: деревянная балка сечением 150x25 мм и длиной 1800 мм нагружалась равномерно распределенной нагрузкой. Один конец балки жестко защемлен. Нагрузка и вариант заделки не изменялись, изменялся угол балки относительно горизонтали: 0, 30, 45, 60. Результаты расчета представлены нарис. 4.6.
Тестовый пример 2: а) пакет из деревянных балок сечением 150x25 мм и длиной 1500 мм нагружался сосредоточенной силой 200 Н, приложенной к грани пакета. Один конец пакета жестко защемлен; б) пакет из деревянных балок сечением 150x25 мм и длиной 1500 мм, соединенных болтами диаметром 8 мм на расстоянии 300 мм друг от друга, нагружался сосредоточенной силой 200 Н, приложенной к грани пакета. Один конец пакета жестко защемлен. Нагрузка и вариант заделки не изменялись. Результаты расчета представлены на рис. 4.7.
Результаты тестовых примеров говорят о возможности применения данного вычислительного комплекса для расчета деревянных конструкций различной конфигурации. Автором была построена конечноэлементная модель узла КСС. Компьютерная конечноэлементная модель включала в себя один сквозной косяк и две половинки набегающих косяков. Оси всех трех косяков располагались в одной плоскости, крыловатость косяков не учитывалась. Продольные силы прикладывались по четырем концам модели центрально вдоль осей косяков. На концах сквозного косяка и удаленных от узла концах набегающих косяков моделировались дополнительно связи, исключающие повороты поперечных сечений, но допускающие продольные перемещения. Общее число узлов модели составило 13351, а элементов 6135.
Выбор оборудования и приспособлений для проведения испытаний
Несмотря на широкое использование деревянных кружально-сетчатых сводов (КСС) Цольбау, до сих пор экспериментально не исследованы вопросы податливости элементов в узле КСС. Поэтому сложно достоверно прогнозировать несущую способность конструкции в целом и ее деформации, в значительной мере определяемые податливостью узла.
Основная цель эксперимента заключалась в изучении напряженно-деформированного состояния узла КСС с болтовым соединением. Задачи исследований были поставлены следующим образом: - при ступенчатом загружении определить перемещения и деформации характерных точек узла КСС; - произвести сравнительный анализ теоретических и опытных данных. Программа экспериментальных исследований включала в себя: 1. выбор оборудования и разработку приспособлений для проведения испытаний; 2. выполнение испытаний; _ 3. обработку результатов эксперимента и построение графиков зависимости перемещений и деформаций элементов узла от величины прикладываемой нагрузки.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры «Строительство и архитектура» ЮРГТУ (НИИ). 5.2,Описание модели конструкции узла кружально-сетчатого свода Цольбау
Для проведения испытаний узла стержневой конструкции кружально-сетчатого свода, системы Цольбау была создана простейшая трехстержневая модель конструкции (рис. 5.1, 5.2).
Элементы стержневой конструкции, предназначенные для испытаний статической нагрузкой, были изготовлены из призматических балок сечением 150x25 мм из воздушно-сухой древесины сосны. Для получения требуемых размеров поперечного сечения доски подвергались четырехсторонней острожке с чистотой обработки поверхности, соответствующей 8 классу шероховатости. Длина. набегающих косяков была принята 900 мм, а длина сквозного косяка соответственно 1700 м м.
Модель конструкции узла была получена путем опиливания торцов набегающих косяков под углом 50 к продольной оси. Посредине длины сквозного косяка на уровне нейтрального слоя под углом 50 к его продольной оси высверливалось отверстие диаметром 10 мм ,для пропуска стяжного болта диаметров 8 мм. Узел конструкции стягивался болтом с шайбами 30x90 мм. После сборки модели испытываемой конструкции величина смещения осей набегающих косяков относительно центрального узла составила е=60 мм.
Для проведения испытаний был изготовлен специальный стенд для исследования податливости узла кружально-сетчатого свода (рис. 5.1, 5.2). Стенд содержит платформы 1, присоединенные к _рычагам 2, шарнирно соединенные через механизм для передачи нагрузки с опорным основанием 6. К опорному основанию крепятся жесткие П-образные каркасы 3 с осью 4, которые шарнирно связаны с горизонтальными швеллерами 5. Вертикальные стойки 7 предусмотрены для предотвращения прогиба горизонтальных частей опорного основания 6. Опоры для фиксации конструкции 8 шарнирно прикрепляются к нижним горизонтальным частям опорного основания 6. Направляющие стойки 9, жестко связанные с опорным основанием 6, обеспечивают вертикальное перемещение платформы 1.
Несмотря на широкое использование деревянных кружально-сетчатых сводов (КСС) Цольбау, до сих пор экспериментально не исследованы вопросы податливости элементов в узле КСС. Поэтому сложно достоверно прогнозировать несущую способность конструкции в целом и ее деформации, в значительной мере определяемые податливостью узла.
Основная цель эксперимента заключалась в изучении напряженно-деформированного состояния узла КСС с болтовым соединением.
Задачи исследований были поставлены следующим образом: - при ступенчатом загружении определить перемещения и деформации характерных точек узла КСС; - произвести сравнительный анализ теоретических и опытных данных.
Программа экспериментальных исследований включала в себя: 1. выбор оборудования и разработку приспособлений для проведения испытаний; 2. выполнение испытаний; _ 3. обработку результатов эксперимента и построение графиков зависимости перемещений и деформаций элементов узла от величины прикладываемой нагрузки. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры «Строительство и архитектура» ЮРГТУ (НИИ).
Для проведения испытаний узла стержневой конструкции кружально-сетчатого свода, системы Цольбау была создана простейшая трехстержневая модель конструкции (рис. 5.1, 5.2).
Элементы стержневой конструкции, предназначенные для испытаний статической нагрузкой, были изготовлены из призматических балок сечением 150x25 мм из воздушно-сухой древесины сосны. Для получения требуемых размеров поперечного сечения доски подвергались четырехсторонней острожке с чистотой обработки поверхности, соответствующей 8 классу шероховатости. Длина. набегающих косяков была принята 900 мм, а длина сквозного косяка соответственно 1700 м м.
Модель конструкции узла была получена путем опиливания торцов набегающих косяков под углом 50 к продольной оси. Посредине длины сквозного косяка на уровне нейтрального слоя под углом 50 к его продольной оси высверливалось отверстие диаметром 10 мм ,для пропуска стяжного болта диаметров 8 мм. Узел конструкции стягивался болтом с шайбами 30x90 мм. После сборки модели испытываемой конструкции величина смещения осей набегающих косяков относительно центрального узла составила е=60 мм.
Для проведения испытаний был изготовлен специальный стенд для исследования податливости узла кружально-сетчатого свода (рис. 5.1, 5.2). Стенд содержит платформы 1, присоединенные к _рычагам 2, шарнирно соединенные через механизм для передачи нагрузки с опорным основанием 6. К опорному основанию крепятся жесткие П-образные каркасы 3 с осью 4, которые шарнирно связаны с горизонтальными швеллерами 5. Вертикальные стойки 7 предусмотрены для предотвращения прогиба горизонтальных частей опорного основания 6. Опоры для фиксации конструкции 8 шарнирно
прикрепляются к нижним горизонтальным частям опорного основания 6. Направляющие стойки 9, жестко связанные с опорным основанием 6, обеспечивают вертикальное перемещение платформы 1.
Стенд работает следующим образом: на платформы 1 устанавливается груз, необходимый для создания требуемых усилий в элементах узла. Через рычаги 2 и механизм для передачи нагрузки, через жесткий П-образный каркас 3 с осью 4 усилие передается непосредственно на верхний торец элементов узла кружально-сетчатого свода. На конструкции узла по месту устанавливаются индикаторы часового типа модели РІЧ 10 МН с ценой деления 0.01 мм для фиксации появления податливости элементов в узле.
Стенд для исследования податливости узла кружально-сетчатого свода в 2006 г. прошел освидетельствование, получен патент на полезную модель № 58565.
В процессе эксперимента измерялись деформации характерных точек (рис. 5.3) [18,33], рассчитанных при численном моделировании. Всего было собрано пять полумостовых схем. Деформации деревянных- элементов измерялись тензорезисторами типа КФ 5Ш-10-400-А-12, деформации соединительного болта узла с помощью фольговых тензорезисторов с базой 20 мм, сопротивлением R =201 Ом (рис. 5.4).
Наклейка тензорезисторов на поверхность болта производилась в следующей последовательности [4,21,59,65,72]. Поверхность болта, предназначенную для наклейки, тщательно зачищали наждачной бумагой для придания ей чистоты обработки и образования горизонтальной поверхности; промывали ацетоном, а затем этиловым спиртом; 5-10 мин. подсушивали. Предварительно тензорезисторы отбирались из партии, сгруппировывались по сопротивлению. Датчик наклеивался на подготовленную поверхность с помощью циакринового клея.
