Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние экспериментально- теоретических исследований трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями 11
1.1. Функционирование бесфасоночного узлового соединения в составе типовой трубчатой фермы 11
1.2. Типы закрепления стержней в бесфасоночных узловых соединениях трубчатой фермы 12
1.3. Конструктивные решения бесфасоночных узловых соединений
элементов трубчатой фермы 14
1.4. Методы расчета узловых соединений трубчатой фермы 20
Выводы, обоснование цели и задач исследования 25
2. Трубчатая ферма с новыми бесфасоночными к-образными узловыми соединениями 28
2.1. Общие положения 28
2.2. Новое К-образное бесфасоночное узловое соединение 29
трубчатой фермы 29
2.3. Трубчатая ферма с К-образными бесфасоночными узлами 32
2.4. Принципы и методика исследования напряженно-деформированного
состояния фермы с новыми узловыми соединениями 35
2.4.1. Численные исследования бесфасоночных узловых соединений с
помощью многофункционального программного комплекса «Лира» 38
2.4.2. Влияние условий закрепления стрежней в ферме на напряженно-
деформированное состояние их узловых соединений 39
2.5. Расчетная схема для модели узлового соединения фермы 44
Выводы 46
3. Численные исследования бесфасоночного узлового соединения трубчатой фермы 48
3.1. Цель и задачи численных исследований 48
3.2. Объект численных исследований 48
3.3. Методика проведения численных исследований 50
3.4. Анализ численных исследований бесфасоночных узловых соединений 52
Выводы 65
4. Экспериментальные исследования узлов трубчатой фермы 67
4.1. Цель и задачи исследования 67
4.2. Объект экспериментальных исследований 68
4.3. Конструкция испытательного стенда и функционирование в ней
узлового соединения 68
4.4. Методика проведения экспериментальных исследований 70
4.5. Обработка результатов и анализ экспериментальных исследований 75
4.5.1. Контрольные тензодатчики 75
4.5.2. Индикаторы часового типа 77
4.5.3. Основные тензодатчики 81
4.6. Несущая способность исследуемых узловых соединений 82
4.7. Определение эффективности трубчатых ферм с бесфасоночными
узловыми соединениями 85
4.8. Рекомендации по конструированию и расчету ферм с разработанными бесфасоночными узлами 86
Выводы: 89
Основные результаты и выводы 91
Список использованной литературы 93
- Типы закрепления стержней в бесфасоночных узловых соединениях трубчатой фермы
- Трубчатая ферма с К-образными бесфасоночными узлами
- Анализ численных исследований бесфасоночных узловых соединений
- Обработка результатов и анализ экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ динамики российских и
европейских рынков позволил выявить рост инвестиций в строительство
спортивно-оздоровительных комплексов, торгово-развлекательных и
бизнес-центров, промышленных, складских и прочих объектов.
Быстровозводимые и трансформируемые здания становятся
популярными.
Перспективным научно-техническим направлением в развитии
металлоконструкций является разработка и внедрение легких
конструкций зданий и сооружений, позволяющих рационально
использовать материальные ресурсы.
Массовое применение легких ферм из трубчатого профиля,
обусловленное быстрыми темпами возведения в сочетании с высокой
технологичностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью,
минимальным количеством элементов и сварных швов, преимуществом
при нанесении покрытий, увеличением освещенности, малым
аэродинамическим сопротивлением, а также современным
архитектурным дизайном, приводит к удешевлению строительства по сравнению с применением традиционных конструкций на 25-30%, а в некоторых случаях до 40 %.
Обладая указанными преимуществами, фермы не застрахованы
от аварий, которые вызваны разрушением узлов. Это объясняется тем, что
несущая способность трубчатых ферм в большей мере определяется
прочностью их узловых соединений, представляющих сложную
пространственную конструкцию с высоким градиентом напряжений. Как
установлено, разрушение узлов связано со снижением пластических
свойств стали при наличии значительных концентраций напряжений, возникающих вследствие передачи усилий от сжатого элемента решетки к растянутому через пояс фермы и сварные швы.
Упрощенные методики расчета ферм позволяют использовать идеализированные шарнирные сопряжения стержней в узле при определении продольных усилий в элементах ферм, если отношение высоты сечения элемента к его длине h/l1/10. При ином подходе ферма моделируется как рамная конструкция. При этом прочность узлов непосредственно зависит от их конструктивных решений и характера распределения в них внутренних усилий в сечениях элементов.
Реализация достоинств легких ферм из трубчатого профиля затруднена его особенностями и зависит от структуры узлов.
Исследование напряженно-деформированного состояния узловых
соединений и проведение инженерных расчетов с допустимой точностью
формально позволяют возможности современного программного
обеспечения. Вместе с тем, остается нерешенной проблема оптимального конструктивного решения узлов трубчатых ферм, позволяющего увеличить их прочность и уменьшить деформативность.
Целью настоящей работы является разработка и исследование
напряженно-деформированного состояния (НДС) нового типа
конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка и обоснование нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.
-
Разработка и обоснование методики исследования, а также расчетной модели конструкции узла с учетом особенностей профиля и его функционирования в составе фермы.
-
Проведение численных исследований НДС трехмерных моделей традиционного и разработанного типов узлов и сопоставление их результатов.
-
Разработка конструкции испытательного стенда, методики проведения эксперимента с учетом специфики разработанного конструктивного решения узла. Сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований.
-
Оценка эффективности усовершенствованной фермы с разработанным типом узлов и определение области применения разработанных узловых соединений.
Методы исследования – численные, экспериментальные и теоретические, в том числе методы моделирования строительных конструкций, численные методы строительной механики и теории надежности металлических конструкций.
Научную новизну работы составляют:
конструктивное решение узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов фермы;
результаты численного исследования НДС трехмерных моделей бесфасоночных узлов;
- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей
способности узлов трубчатых ферм;
- рекомендации по конструированию и расчету трубчатых
ферм с бесфасоночными узлами.
Обоснованность и достоверность научных исследований
обеспечивается использованием общепринятых предпосылок
современной теории расчета конструктивных систем с привлечением основных положений теории пластин и оболочек, а также сопоставлением полученных результатов численных и экспериментальных исследований.
Практическое значение работы. Разработанное решение
узлового бесфасоночного соединения рекомендуется использовать при
конструировании трубчатых ферм с треугольной решеткой без стоек при
строительстве складских и торгово-развлекательных помещений,
одноэтажных отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий без кранов. Разработан алгоритм формирования первичной информации и рекомендаций по расчету и конструированию трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.
Внедрение результатов работы обусловлено патентом на
узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов ферм и использовано в проектном отделе металлоконструкций инженерного центра ЗАО «Энергомаш (Белгород) – БЗЭМ» и в проектной компании ООО «Гарант-проект», а также отражено в учебном процессе кафедры строительства и городского хозяйства БГТУ им. В.Г. Шухова.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и
обсуждались на Международной научно-практической конференции
«Современные технологии в промышленности строительных материалов
и стройиндустрии» (г. Белгород, 2005); на Международных научно-
практических Интернет-конференциях «Научные исследования и их
практическое применение. Современное состояние и пути развития» и
«Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и
транспорте» (г. Одесса, 2013). В полном объеме работа доложена и
одобрена на расширенном заседании кафедры «Сопротивление
материалов и строительная механика» БГТУ им. В.Г. Шухова.
Публикации работы. По теме диссертации опубликовано 7
работ, в том числе две статьи опубликованы в журналах, входящих в
перечень ВАК РФ, получен патент Российской Федерации на
изобретение.
На защиту выносятся:
- новый тип конструктивного решения бесфасоночных узлов
трубчатой фермы;
- результаты численного исследования НДС трехмерных моделей
бесфасоночных узловых соединений;
- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей
способности узлов трубчатой фермы;
- технико-экономическая оценка фермы с бесфасоночными
узловыми соединениями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Вся работа изложена на 138 стр., включающих 8 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 155 наименований и четыре приложения.
Типы закрепления стержней в бесфасоночных узловых соединениях трубчатой фермы
В.В. Севрюгин (ЦНИИПроектстальконструкция) [116] констатирует повышенную деформативность узлов, которая может привести к повышению податливости фермы в целом. Высокая концентрация напряжений, вызванная неравнопрочностью области контакта сварного шва с основным металлом и, как следствие, неравномерностью распределения нормальных напряжений по сечению торцов раскосов, приводит к снижению несущей способности и жесткости всего соединения.
По мнению Я. Брудка [16], лучшего результата можно достичь, если сблизить элементы решетки. В узловом соединении с пересекающимися раскосами (рис. 1.1, б) часть поперечной силы одного раскоса передается на другой, в меньшей мере вовлекая в работу пояс, который подвергается лишь незначительному изгибу. Разрушение узлового соединения происходит, прежде всего, в материале растянутого раскоса. Следует отметить, что изготовление такого соединения значительно усложняется из-за повышения качества обработки торцов раскосов и трудностей в производстве швов в связи с чрезмерным нагромождением их на небольшой поверхности [146].
Отмеченные недостатки устраняются усилением пояса накладкой (рис. 1, в) [2] либо утолщением стенок пояса в зоне примыкания к нему раскосов (рис. 1, г). Как отмечает В.В. Севрюгин [116], прочность таких узлов в среднем на 16% выше, чем традиционных соединений; практически она определяется прочностью сжатых раскосов, которые, кроме того, должны удовлетворять условиям устойчивости.
При возникновении в раскосах растягивающих или сжимающих усилий участки стенок пояса в пяточной зоне включаются в работу с помощью элементов усиления, препятствующих их поперечной деформации. Эти элементы, воспринимая поперечные усилия, равномерно распределяют их по стенкам пояса, увеличивают жесткость самого соединения. Следует отметить, что местное увеличение жесткости узла влияет на изгиб стержней элементов фермы, а значительное количество сварных швов формирует сложную картину полей остаточных напряжений и зон с повышенной структурно-механической неоднородностью, что увеличивает концентрацию напряжений. Это приводит к увеличению металлоемкости, а также к дополнительным трудозатратам.
Зарубежные авторы [16, 149, 154, 155] предлагают соединения с узловыми косынками (фасонками) (рис. 1, д), которые не требуют «повышенной точности заготовки, а длина швов в таких узлах может быть увеличена». В данном решении оси элементов решетки пересекаются в одной точке на оси пояса, но сами элементы решетки не пересекаются. Таким образом, траектории усилий, передаваемых с одного элемента решетки на другой, проходят через узловую косынку, что позволяет увеличить жесткость и несущую способность узла [8, 69]. Разрушение наблюдается в месте контакта торца растягиваемого раскоса с косынкой, что обусловлено резким изменением сечения. Данное соединение требует значительных металло- и трудозатрат.
Н.М. Шейнфельд и В.С. Попов [49] отдали предпочтение разработке и исследованию узловых соединений с врезкой стержней решетки в пояс (рис. 1, е). При применении таких узлов допустимы большие погрешности, касающиеся длины стержней решетки, что важно для большепролетных несущих конструкций, а также значительно уменьшается деформативность пояса в случае действия на него сосредоточенной силы в узле. Прочность данного решения определяется прочностью пояса с учетом степени ослабления его вырезами [35]. Исчерпание несущей способности происходит в результате продавливания ослабленного вырезом пояса под сжатым раскосом. Патентный поиск, выполненный с целью установления прототипа и аналогов узлового соединения, предложенного автором, выявил
бесфасоночное узловое соединение (рис. 1, ж), в котором для увеличения общей жесткости узла в пяточную зону полости раскосов ввариваются усилительные элементы в виде диафрагм [1]. Такое соединение отличается большой неравномерностью контактных напряжений в сварных швах [80], соединяющих раскосы и пояс; недостаточной надежностью соединения, связанной с существенной концентрацией напряжений в узле из-за большого объема сварки [48]; повышенной сложностью, обусловленной самим конструктивным решением, а также повышенной металлоемкостью за счет использования дополнительных деталей и объема наплавленного металла.
В плане разработки эффективного конструктивного решения узлового соединения трубчатой фермы предложен узел [109], в котором крепление пояса и раскосов осуществляется на сварке с помощью штампованной листовой фасонки (рис. 1, и). Последняя имеет форму трапеции без основания и устанавливается на пояс. Количество дополнительных деталей и существенное увеличение длины сварных швов приводит к увеличению металлоемкости и объема наплавленного металла, а также к увеличению трудоемкости в изготовлении.
Трубчатая ферма с К-образными бесфасоночными узлами
Над разработкой данной методики активно работали в ЦНИИСК им. Кучеренко Б.С. Цетлин и др. [136, 140], группа ученных ИЭС им. Е.О. Патона [54], а также зарубежные авторы [74, 149]. По одной из теорий [136], за оценку несущей способности узла принят местный изгиб стенки пояса в месте крепления раскосов, который определяется ее предельным состоянием как защемленной пластинки.
Вместе с тем, искусственно принятая схема разрушения узла не дает возможность определить границы упругих деформаций и момент появления локальных упруго-пластических деформаций.
Пытаясь решить эти проблемы, А.П. Мищенко, П.Б. Стегаев, В.А. Стабровский [85] предложили использовать метод отражений, основанный на плоской задаче теории упругости. Плоское тело конечных размеров рассматривалось как неограниченная пластина. Напряжения, вычисленные в точках контура тела, представляют собой невязки в граничных условиях. Представление невязок в виде сил, которые названы силами отражений, позволяли повторять расчет, постепенно корректируя граничные условия. Вычислительная процедура представлена в виде итерационного алгоритма.
Аналитические методы, а также классические приближенные методы позволяют определить напряженно-деформированное состояние при сравнительно простых способах нагружения элементов [85]. Для поставленной цели могут быть использованы наиболее распространенные численные методы: метод конечных элементов, метод конечных разностей и др. Их применение требует, естественно, большого объема подготовительной работы.
С развитием вычислительной техники громоздкие расчеты [29, 36] проводятся с использованием ЭВМ. Это позволяет решать сложные задачи строительной механики методом конечных элементов [28]. Усилия ученных направлены на развитие и применение МКЭ в теории пластин и оболочек и реализации их на ЭВМ. Расчет бесфасоночных узлов при помощи МКЭ выполнялся с помощью таких вычислительных программ как «Лира», «Металл-90», «Прочность-75» и др. [9, 19, 56]. Выводы, обоснование цели и задач исследования
1. Анализ экспериментальных исследований, проведенных с использованием не только цельных трубчатых ферм, но и их фрагментов, показал актуальность проектирования такого рода ферм с бесфасоночными узловыми соединениями. При этом наиболее уязвимым местом в конструкции фермы являются ее узловые соединения.
2. Специфику деформирования трубчатых ферм, снижающую их несущую способность, вносит возникновение дополнительных изгибающих моментов, обусловленное конструктивными решениями узлов. Расчет ферм усложняется ввиду повышения степени их статической неопределимости. Для упрощения расчета при отношении высоты сечения h к длине элемента l между узлами, не превышающем 1/10-1/15, принимают шарнирную расчетную схему ферм.
3. Другой особенностью узловых соединений трубчатых ферм, ввиду тонкостенности профиля, является деформативность поперечного сечения пояса, воспринимающего продольные усилия раскосов. В местах примыкания раскосов к поясу наблюдается значительная концентрация напряжений, которая зависит от степени сближения раскосов.
4. Разработанные ранее конструктивные решения узлов трубчатой фермы, по существу, не решают вопрос о снижении концентрации напряжений в узле сопряжения элементов без существенных затрат металла, что не позволяет раскрыть полностью преимущества и перспективность данного профиля. Насущной проблемой является разработка и исследование новых более эффективных узлов, позволяющих значительно уменьшить концентрацию напряжений и повысить прочность и жесткость узлового соединения без увеличения объемов наплавленного металла и дополнительных элементов усиления. 5. В большинстве случаев предельное состояние узлов трубчатых ферм может наступать в результате потери несущей способности стенки пояса в месте примыкания элементов решетки или боковой стенки пояса в месте примыкания сжатого элемента решетки, а также в результате разрушения сварных швов, прикрепляющих элементы решетки к поясу.
6. Трубчатый профиль представляет собой сложную пространственную конструкцию, расчет которой может быть выполнен на основе теории оболочек. Однако, такого рода расчет является громоздким и трудоемким, требует упрощения моделей узлов, ведущего к игнорированию определенных геометрических параметров и невозможности совместного учета всех факторов.
7. Появление вычислительных программ позволяет решить данную проблему и использовать достижения ученных в применении МКЭ для расчета теории пластин и оболочек к исследованию узлов трубчатых ферм с привлечением программных комплексов. При этом результаты такого рода исследований должны сопровождаться экспериментальными работами.
Исходя из сделанных выводов, целью данной работы является разработка и исследование напряженно-деформированного состояния нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.
Анализ численных исследований бесфасоночных узловых соединений
В данной работе в качестве основных рассмотрены тензодатчики, расположенные в местах концентрации напряжений, выявленных с помощью численного метода расчета узлов фермы. Их результаты приведены в прил. III (табл. III.2-III.5, рис. III.1).
Как видно из рис. 3.5-3.6, расхождение между результатами численных и экспериментальных исследований для пояса незначительное (до 16 %). Напряжения в поясе нового конструктивного решения узла в 2,5-3,4 раза меньше, чем в типовом.
Экспериментальный анализ функционирования исследуемых узлов при статической нагрузке подтвердил предположение о линейно-упругом деформировании материала (см. рис. III.1).
В раскосах в месте примыкания их к поясу осевые напряжения распределяются крайне неравномерно (рис. 4.9). При этом характер распределения напряжений по сечениям для обоих решений относительно одинаков. Наибольший уровень напряжений наблюдается в носке и под пяткой. На гранях раскоса, параллельных плоскости узла, напряжения существенно меньше.
В традиционном решении наиболее нагруженным является носок растянутого раскоса (расхождение в 3,6 раза), а в разработанном – носок и пятка (расхождение в 1,7 раза). Это объясняется тем, что первое решение имеет высокую деформативность пояса в месте примыкания раскосов. Рис. 4.9. Эпюры напряжений х в раскосах в местах примыкания их к поясу (в скобках указанны результаты численных исследований)
Несущая способность исследуемых узловых соединений Несущая способность исследуемых узловых соединений определялась по первой группе предельных состояний. Исчерпание несущей способности соответствовало нагрузке на раскосы: в традиционном узле – 58 кН, а в разработанном – 102 кН. Таким образом, несущая способность последнего больше в 1,8 раза. Разрушение традиционного узлового соединения произошло в результате потери устойчивости верхней стенки пояса в области примыкания к нему раскосов. Дальнейшее увеличение нагрузки (до 69 кН) привело к отрыву растянутого раскоса в зоне носка по контуру сварного шва (рис. 4.10).
Разрушение традиционного узлового соединения фермы Характер деформирования узлов, полученный в результате численных и экспериментальных исследований, одинаков. Верхняя грань пояса в месте примыкания раскосов неравномерно деформируется по направлению линии действия нагрузки сжатого и растянутого раскосов. Происходит явно выраженное вдавливание боковых стенок пояса под растянутым раскосом и выпучивание – под сжатым.
Разрушение разработанного узлового соединения (рис. 4.11) произошло в результате потери устойчивости верхних граней пояса в месте примыкания к ним сжатого раскоса. Дальнейшее увеличение нагрузки не проводилось ввиду отсутствия технической возможности.
Разрушение разработанного узлового соединения фермы Напряженно-деформированные состояния разработанного узлового соединения, полученные при численных и экспериментальных исследованиях, сопоставимы. Верхние стенки пояса искривляются внутрь контура сечения под растянутым раскосом, наружу – под сжатым. Визуального деформирования раскосов при испытании обоих вариантов узлов не наблюдалось.
Эффективность трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями устанавливалась путем сравнения их с другими решениями по технико-экономическим показателям. Одним из требований, предъявляемых к металлическим конструкциям [13,40,129], является экономичность. Ее показателем является материалоемкость, определяемая затратами на металл и другие материалы, необходимые на изготовление конструкции.
При сравнении металлоемкости типовой и новой ферм значение веса может быть использовано при оценке экономичности ввиду однотипности конструкций, имеющих одинаковое функциональное назначение.
Ввиду того, что обычно прочность ферм определяется прочностью их узловых соединений [75], за несущую способность фермы принята несущая способность узла.
Для объективности оценки эффективности рассчитан коэффициент материалоемкости К [58], представляющий собой отношение несущей способности конструкции Ф к погонному весу конструкции фермы G: К = . (4.1)
При определении веса всей конструкции (табл. 4.2) необходимо учесть не только вес всех элементов фермы, но и вес опорных столиков. В силу того, что количество металла, идущего на изготовление сварных соединений, одинаково в обоих вариантах, его влияние на вес не учитываем. В разработанном узле длина шва увеличивается, но при этом уменьшается его катет. Вес всей конструкции фермы равен: пластина 0,002 4 36 0,00003 2,3 Итого: 1708,4 58 0,034
По результатам расчета, приведенного в табл. 4.2, устанавливаем, что по объективному экономическому показателю предложенное решение превосходит традиционное в 1,74 раза.
Данные рекомендации составлены в дополнение к СНиП [128] и Руководству [113] на основании результатов численных и экспериментальных исследований бесфасоночных узлов трубчатой фермы. Разработанные узлы могут найти применение при проектировании плоских ферм с бесфасоночными узлами с треугольной решеткой без стоек (см. рис. 2.2), как с восходящими, так и с нисходящими опорными раскосами, а также пространственных ферм.
Предложенные фермы рекомендуется использовать в зданиях с пролетами 18, 24 и 30м при строительстве складских и торгово-развлекательных помещений, одноэтажных отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий с неагрессивной или слабоагрессивной средой при сухом и нормальном влажностном режиме помещений, с покрытиями по прогонам.
Для опирания прогонов верхний пояс фермы проектируется с опорными столиками в местах крепления раскосов, выполненных из профиля квадратного (прямоугольного) сечения и пластины, приваренной к нему. Ферма должна быть представлена двумя отправочными элементами. Монтажные соединения – фланцевые с допущением применения ручной сварки.
При проектировании ферм следует стремиться к центрированию стержней во всех узлах относительно центров сечений. Углы примыкания раскосов к поясу предпочтительнее проектировать в пределах 30-600.
В элементах решетки фермы следует использовать прямоугольные или квадратные, а в поясах - квадратные профили, которые могут быть изготовлены из гнутосварных профилей, двух сваренных швеллеров или уголков.
Выбор расчетной схемы фермы для конкретного объекта производится с учетом его индивидуального назначения и особенностей конструктивного исполнения, а также выполнения сбора нагрузок согласно требованиям СНиП [97].
Обработка результатов и анализ экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» БГТУ им. В.Г. Шухова согласно методики [43], основанной на результатах численных исследований, описанных в гл. 3.
Методика проведения испытаний включает основные положения эксперимента [3, 47, 76, 98]. Эксперимент имел несколько этапов. Первоначально на эталонной консольной балке была выполнена контрольная тарировка тензодатчиков [57, 88], а также проверка и настройка измерительного комплекса в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
Предварительным экспериментом, в ходе которого нагружается только пояс, достигается сопоставимость результатов с расчетными данными, проверяется равномерность приложения нагрузки, определяется величина погрешности эксперимента.
Во время самого эксперимента (рис. 4.2) нагружение осуществлялось согласно расчетной схеме (рис. 2.7) по первому типу гидравлическими домкратами грузоподъемностью 160 кН (для пояса) и 100 кН (для раскосов), которые приводятся в действие через ручные насосные станции. Величина усилий регистрировалась при помощи манометров, измеряющих давление в гидросистеме диапазоном 400 и 800 кгс/см2 и классом точности 1,5 и 2,5 соответственно. Величина усилия определяется как Nд=рА, где р – давление в гидросистеме, кгс/см2, А – площадь плунжера домкрата, равная 19,63 см2 (диаметр плунжера 5 см2).
Таким образом, давление в 100 кгс/см2 соответствует усилию, создаваемому домкратом – 19,63 кН. Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 20% от расчетной нагрузки [71], с выдержкой на каждой ступени в целях стабилизации деформаций и снятия их показаний. После каждой ступени производился отсчет показаний индикаторов часового типа [33].
В качестве расчетной нагрузки приняты усилия, полученные в результате предварительно расчета фермы. Для центрирования точки приложения нагрузки между домкратом и фланцем устанавливалась шаровая опора. Равномерное усилие в фланцевых соединениях обеспечивается контролем момента затяжки болтов. Для вычисления деформаций применялись одиночные прямоугольные тензорезисторы типа КФ5П1-5-100-Б12 с базой 5 мм и КФ5П1-10-100-Б12 с базой 10 мм по ГОСТ. Они выбирались с учетом задач исследований, свойства материала, степени его структурной однородности и возможности их расстановки [99].
Рис. 4.2. Экспериментальная установка
Тензодатчики сопротивления наклеивались на предварительно обработанную поверхность с помощью клея циакрил. Схема размещения тензодатчиков (рис. 4.3) принималась с учетом поставленных задач: в зонах концентрации напряжений – в двух взаимоперпендикулярных главных направлениях, предварительно выявленных с помощью программного комплекса «Лира», и по периметру сечения торцов стержней (для контроля точности центрирования нагрузки). В местах концентрации напряжений датчики наклеивались непосредственно у сварного шва, в раскосах - только с наружной стороны грани. Наличие тензодатчиков на симметричных стенках стержней узла позволяет добиться большей достоверности результатов.
Достоверность результатов проверяется также повторным снятием отсчетов на каждом этапе с целью исключения случайной погрешности. Подключение тензорезисторов выполняется по полумостовой схеме. Для исключения температурных влияний в плечи измерительного моста вводится компенсационный датчик, наклеенный на пластинку из того же материала, что и конструкция и помещенный в те же температурные условия, что и активные датчики.
Регистрация деформаций осуществляется универсальным многоканальным измерителем-регистратором «Терем-4.1», который позволяет накапливать базу данных. Для балансировки моста, увеличения разрешающей способности АЦП при изменении сигнала выполнялась калибровка прибора с использованием магазина сопротивлений. Максимальные искривления боковых стенок пояса из плоскости узла фермы фиксировались индикаторами часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,001 мм. В традиционном решении ввиду невозможности установки индикатора на верхней грани пояса данные показания отсутствуют.
