Введение к работе
Актуальность темы. В строительной практике допускается эксплуатация сооружений с дефектами (трещины, выколы и др.), а также угловыми вырезами различной конфигурации, присутствие которых вызвано конструктивной необходимостью. Учет этих концентраторов в аналитическом расчете приводит к появлению сингулярных зон с теоретически бесконечно большими напряжениями. Существующие инженерные методики расчета, как правило, не учитывают наличие этих особенностей в натурных объектах. Необходимость совершенствования методов расчета с учетом положений механики разрушения особенно актуальна при проектировании бетонных, железобетонных и каменных конструкций, в которых, кроме угловых вырезов, присутствуют также трещины, не полностью заполненные раствором швы и другие концентраторы.
В настоящей работе для экспериментального решения задач прочности элементов строительных сооружений используется метод фотоупругости, позволяющий получить поля напряжений. Метод наиболее эффективен для изучения напряженного состояния вблизи концентраторов.
Цель работы: модельное исследование концентрации напряжений в элементах сооружений с угловыми вырезами различной конфигурации и дефектами в виде трещин при линейном упругом деформировании.
Идея работы заключается в применении метода фотоупругости для определения полей напряжений вблизи концентраторов в моделях из пьезооптического материала и решении задач прочности элементов сооружений с помощью экспериментальных данных.
Задачи исследования:
- получение полей напряжений в элементах, имеющих угловые вырезы;
- выявление распределения напряжений и "закономерностей изменения их
концентрации в элементах строительных конструкций вблизи угловых вырезов
в зависимости от геометрических параметров;
развитие расчетно-экспериментальной методики определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в элементах сооружений;
экспериментальная проверка некоторых аналитических и численных решений;
применение расчетно-экспериментальной методики определения напряжений в конструкции каменной кладки;
- разработка предложений по использованию полученных результатов при
расчете элементов сооружений с угловыми вырезами и трещинами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: метод фотоупругости, методы прикладной математики, положения, зависимости, аналитические решения задач механики разрушения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- совокупности экспериментально полученных полей напряжений и
особенности их распределения в элементах сооружений с угловыми вырезами:
- закономерности изменения концентрации напряжений в элементах с
угловыми вырезами в зависимости от геометрических параметров моделей;
- развитие расчетно-экспериментальной методики определения КИН в
элементах сооружений с использованием поляризационно-оптических данных;
- результаты проверки аналитических и численных решений, выполненных В.Д.
Кургузовым, Н.Ф. Морозовым, Г. Нейбером и др.
пример реализации расчетно-экспериментальной методики определения напряжений в конструкции каменной кладки, предложенной В.В. Пангаевым;
предложения по использованию полученных результатов исследования в расчете элементов сооружений с угловыми вырезами различной конфигурации.
Достоверность полученных в работе . результатов обеспечивается корректным применением методов строительной механики, уравнений механики деформируемого твердого тела, использованием законов физической оптики, подбором эффективных пьезооптических материалов, небольшой погрешностью определения напряжений (менее 6%), которую дает метод фотоупругости.
Новизна научных положений. В работе с применением положений механики разрушения и результатов поляризационно-оптического эксперимента решены задачи прочности элементов сооружений, не имеющие не только инженерных (курс сопротивления материалов, теория упругости), но и аналитических решений, а также отсутствующие в справочниках по определению коэффициентов концентрации напряжений или ЮІН. Основные новые результаты.
-
Экспериментально получены поля напряжений и выявлены особенности их распределения в моделях элементов сооружений, имеющих угловые вырезы.
-
Впервые установлены закономерности изменения концентрации напряжений в зависимости от геометрических параметров на примере балок-стенок и балок с угловыми вырезами при изменении глубины и величины выреза.
-
Развита и реализована на примере балок, ослабленных угловым вырезом на оси симметрии, расчетно-экспериментальная методика определения КИН с использованием данных поляризационно-оптического эксперимента. Исследовано влияние глубины и величины угла выреза на значение КИН.
-
Выполнена экспериментальная проверка численного решения В.Д. Кургузова для КИН в балках с угловыми вырезами. Экспериментально подтверждено аналитическое решение Н.Ф. Морозова с соавторами для оценки влияния пор на напряженное состояние вблизи вершины трещины. Проверена применимость зависимости Г. Нейбера для вычисления коэффициента концентрации напряжений в пластинах с эллиптическим вырезом при конкретном отношении длины горизонтальной оси к вертикальной (30 и 3).
5. Методом фотоупругости исследовано напряженное состояние модели
конструкции каменной кладки, проверено численное решение, выполненное
В.В. Пангаевым, получено объяснение причин ее разрушения в процессе
эксплуатации в виде вертикальных трещин разрыва в тычковых рядах кирпича.
-
Решены задачи прочности следующих элементов: балка и стеновая панель с регулярными восьмиугольными отверстиями: стеновая панель с прямоугольным оконным вырезом: стеновая панель с балконным вырезом.
-
Сформулированы предложения по использованию полученных результатов при расчете элементов сооружений с угловыми концентраторами.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка задач и результаты экспериментального исследования концентрации напряжений и КИН в элементах сооружений с угловыми вырезами различной конфигурации, разработка, а в ряде случаев и изготовление комплектов моделей, формулировка основных положений, определяющих научную новизну.
Практическая значимость. Метод фотоупругости применен для изучения напряженного состояния элементов конструкций на стадии предразрушения или частичного разрушения, что позволило решить проблемы прочности в условиях, когда затруднены или практически не реализуются теоретические методы расчета. Решены прикладные задачи строительной механики по определению коэффициентов концентрации напряжений в таких элементах сооружений, как балки и балки-стенки с различными вырезами.
Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (№ 02-01-00222, MAC № 03-01-06128) и Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федеральной службы специального строительства РФ (№ 2.1-073; № 01.01-10).
Реализация работы. Результаты исследования концентрации напряжений используются в курсе теории упругости и в спецкурсе для магистрантов, читаемых в НГАСУ (Сибстрин). Результаты исследований, полученные в рамках диссертационной работы, применяются организациями ООО «ПСК «Унистрой»», ООО «Архстройпроект», ОАО «СибНИИавиапром» при проектировании и реконструкции сооружений (акты внедрения прилагаются к диссертации).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, конгрессах, симпозиумах: NDA'2 (Москва, 2002), 19th DANUBIA-ADRIA (Polanica-Zdruj -Poland, 2002), ISF (Москва, 2003), MESOMECHANICS (Томск, 2003, 2004, 2006), 21st SYMPOSIUM ON EXPERIMENTAL MECHANICS OF SOLIDS (Jachranka-Poland, 2004), ICF 11 (Italia, 2005), DYNAMICS, STRENGTH, AND LIFE OF MACHINES AND STRUCTURES (Киев, 2005), а также на летней (Казань, 2004) и зимней (Пермь, 2005) школах по моделям сплошных сред, 16th EUROPEAN CONFERENCE OF FRACTURE (Греция. 2006), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).
В полном объеме работа докладывалась на научных семинарах: отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, кафедры строительной механики СГУПСа, отдела механики деформируемого твердого тела Института горного дела СО РАН, кафедр строительной механики и конструкций НГАСУ (Сибстрин).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 145 страниц текста, в том числе 44 рисунка, 7 таблиц, 120 наименований литературных источников и 4 приложения.
