Главная|Контакты
ПОСЛЕДНИЕ ЗАПИСИ
Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Учебные заведения, находящиеся в признанных культурным наследием зданиях, возможно смогут...

06.09.16  В Королеве в октябре будет открыта пешеходная зона в технологическом стиле

31.08.16  Корпорация Технониколь открыла новый завод по производству минваты в Хабаровске

31.08.16  Отреставрированный корпус РЭУ им. Плеханова открыт

29.08.16  На строительство нового терминала аэропорта на Камчатке претендуют 4 инвестора

29.08.16  ЦАГИ включен в список объектов культурного наследия

28.08.16  На Северном Кавказе к 2017 году будет введен в экусплуатацию индустриальный комплекс

26.08.16  Жилой комплекс со спортивной инфраструктурой будет построен в Казани

26.08.16  В усадьбе "Константиново" откроется детский хоспис

25.08.16  Перинатальный центр на северо-западе Москвы в скоро времени будет построен

24.08.16  В ходе реставрации метро "Сокол" будут восстановлены исторические элементы

ТОП СТАТЕЙ
Опубликовано : 10.02.15 | Категория: Современные стальные конструкции
В ЦНИИСК им. Кучеренко выполнены проектирование, монтаж и испытание крупномасштабной модели фрагмента несущих конструкций покрытия атриума Гостиного Двора. В работе принимали участие сотрудники лаборатории металлических конструкций (разработка конструкции модели и методики испытаний, участие в проведении испытаний модели, анализ экспериментальных данных, выводы и рекомендации), экспериментально-конструкторского бюро (проектирование модели), лаборатории испытаний конструкций (подготовка и участие в проведении испытаний модели). Изготовление модели выполнено ООО «Композит-Тест».
Цель работы — оценка несущей способности и надежности конструкции покрытия на основе экспериментального определения ее напряженно-деформированного состояния.
Задачи исследований:
- экспериментальное выявление напряженно-деформированного состояния системы при различных нагрузках, в том числе на стадии преднапряжения;
- сопоставление и анализ результатов численных расчетов и экспериментальных данных;
- выявление предельного состояния конструкции и экспериментальная оценка запаса ее несущей способности.
Конструкция модели покрытия

Масштаб модели определялся следующими условиями: удовлетворение требованиям проведения экспериментальных испытаний; размещение модели в закрытом помещении, обеспечивающем условия для качественного проведения работ; изготовление конструкции модели на существующем оборудовании (технологичность изготовления и надежность конструкции модели). Моделировалась ферма Ф8 (расположена по середине покрытия) в масштабе M 1:10.
Модель покрытия состояла из двух арочно-вантовых ферм, объединенных по верхним поясам прогонами и связями в пространственный блок (рис. 2.37, 2.38). Модель включала все основные несущие элементы натурной конструкции. Параметры модели (габаритные размеры, сечения элементов и т. п.) определялись на основе теории подобия и размерностей.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Материал элементов модели, форма их сечений и соотношения габаритных размеров соответствовали натуре (табл. 2.31 и 2.32). Элементы V-образных стоек имели вставку в виде муфты, позволяющей изменять их длину и таким образом создавать предварительное напряжение модели. Были смоделированы все узловые сопряжения, в том числе узлы опирания ферм — шарнирно-неподвижный и шарнирно-подвижный (рис. 2.39). Соединения элементов (за исключением шарниров) выполнялись на сварке. Общая устойчивость модели блока покрытия обеспечивалась прогонами и горизонтальными связями в плоскости верхнего пояса ферм, а также вертикальными связями в плоскости торцов ферм. Дополнительные связи, объединяющие прогоны с нижней полкой двутаврового пояса фермы, увеличивали его жесткость на кручение. Две модели поставлялись целиком в виде блоков из двух ферм.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Методика проведения эксперимента

После установки модели на постамент были проведены замеры геометрии узлов поясов ферм и сечений основных элементов. Определены физико-механические характеристики металла модели на трех образцах. Испытания проведены в два этапа (соответственно первая и вторая модели) на статические нагрузки как в упругой, так и в пластической стадии работы вплоть до разрушения. На первом этапе экспериментально определялись прогибы и перемещения модели после ее предварительного напряжения при постоянной нагрузке и различных схемах распределения временной (снеговой) нагрузки, предварительно оценивалась несущая способность конструкции при нагрузке, превышающей на 20 % суммарную расчетную. Пo результатам этих испытаний была выполнена корректировка отдельных узлов конструкции модели. На втором этапе (вторая модель) проводились полные экспериментальные исследования с замерами прогибов, перемещений и напряжений в элементах модели, определялась предельная нагрузка для конструкции.
Относительные деформации замерялись проволочными тензодатчиками сопротивления с базой 10 мм. Общее количество активных датчиков 96 шт., три контрольных датчика были необходимы для оценки работы тензометрической схемы и аппаратуры. Схема расположения датчиков приведена на рис. 2.40. Датчики устанавливались на каждой из двух ферм в семи сечениях верхнего пояса, в трех сечениях нижнего пояса и в двух сечениях V-образных стоек. Во всех сечениях устанавливалось по 4 тензодатчика для определения нормального усилия N и изгибающих моментов в двух плоскостях. Измерение прогибов проводилось в основных узлах элементов верхнего и нижнего пояса системы (рис. 2.41). В подвижном опорном узле замерялись горизонтальные перемещения вдоль ферм (рис. 2.42). Использовано 18 (2*9) шт. электромеханических прогибомеров сельсивного типа. Регистрация информации с тензодатчиков сопротивления (рис. 2.43) проводилась измерительной тензометрической системой TK-1 на 100 точек измерения. Для работы с электропрогибомерами использовался блок цифровой индексации — фазометр.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Модель в упругой стадии испытывалась на шесть схем нагружения: постоянная (собственный вес несущих и ограждающих конструкций) и снеговые (равномерная и односторонние) нагрузки. Вертикальная нагрузка прикладывалась к узлам верхнего пояса системы через элементы прогонов. Нагрузка создавалась тарированными грузами массой 4, 6, 8 и 13 кг с использованием рычажных устройств при соотношении плеч 1:5,8 (рис. 2.44). Это позволило существенно уменьшить массу грузов. Схемы и величины нагрузок приведены в табл. 2.33.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Равномерно распределенная нагрузка прикладывалась поэтапно, неравномерные нагрузки — за один прием (рис. 2.45). После каждого этапа выдерживалась пауза около 15 мин, снимались отсчеты по приборам и затем переходили к следующему этапу нагружения. Прямой и обратный ход загружений, расположение приборов и датчиков с учетом симметрии конструкции и нагрузок позволили определять средние значения измеряемых величин с учетом их статистической обработки для повышения достоверности полученных результатов. Перед основными испытаниями проводилось предварительное загружение модели нормативной равномерно распределенной нагрузкой для выборки люфтов, обжатия узлов, проверки работы измерительных приборов и оборудования.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

На первом этапе фермы испытывались на равномерную нагрузку до разрушения. После достижения расчетной величины нагружение модели осуществлялось малыми порциями с выдерживанием интервала между ними около 30-45 мин.
Наступление предельного состояния предполагалось фиксировать различными способами в отдельности или в совокупности: визуально, показаниями тензодатчиков (текучесть), непропорционально большим приращением перемещений любой из замеряемых точек по сравнению с предыдущими этапами нагружения и т. п. При наступлении предельного состояния, кроме анализа его причин (развитие пластических деформаций, местная потеря устойчивости, общая потеря устойчивости и т. п.), выполнялось сопоставление предельной нагрузки с расчетной для определения верхней границы коэффициента запаса конструкции. Для определения нижней границы выполнялся анализ результатов расчета на предельную нагрузку с учетом фактических физико-механических характеристик материала, из которого была выполнена модель.
Для определения величин ожидаемых перемещений и усилий в процессе испытания модели выполнены компьютерные расчеты с учетом фактических габаритных размеров и сечений элементов. Нагрузки соответствовали всем этапам и схемам загружений модели с учетом ее предварительного напряжения. Сопоставление численных и экспериментальных данных позволило дать оценку правильности выводов теоретических исследований и рекомендаций по расчету комбинированной арочной системы.
Результаты экспериментальных исследований

Первый этап испытаний. В результате испытаний первой модели определены прогибы и перемещения элементов, выявлено поведение элементов конструкции на всех стадиях нагружения (включая превышение на 20 % расчетной), выполнено сопоставление экспериментальных и теоретических данных, определена разрушающая нагрузка, выявлен характер разрушения модели.
Предварительное напряжение модели выполнялось за счет изменения длины V-образных стоек. Величина раздвижки поясов модели по вертикали в местах расположения стоек — 55,2 мм (начальное расстояние h1 = 395,7 мм, конечное расстояние h2 = 450,9 мм). Проектные удлинения стоек: Δl1 = 49,5 мм, Δl2 = 54,2 мм. Расхождения начальной геометрии ферм и удлинений V-образных стоек модели после преднапряжения по сравнению с расчетными величинами не превышали 1,5 %. Сопоставления теоретических и экспериментальных данных по прогибам и перемещениям для различных этапов нагружения (см. табл. 2.33) первой модели приведены в табл. 2.34-2.41. Номера сечений для этих таблиц даны на рис. 2.46.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Постоянная и снеговая равномерно распределенные нагрузки прикладывались поэтапно — по 3 этапа на каждое из нагружений. До предельной нагрузки модель загружалась еще двумя этапами. На рис. 2.47 приведены график зависимости экспериментальных прогибов и перемещений от нагрузки и соответствующие расчетные данные.
Все элементы модели покрытия при воздействии на них расчетных нагрузок находились в упругой стадии работы. Средние значения экспериментальных прогибов с учетом их статистической обработки отличались от теоретических значений не более чем на 10 %, а в 80 % случаев эта разница не превышала ±5 %. Большие различия оказались между экспериментальными и теоретическими данными по горизонтальным перемещениям подвижного опорного узла. Анализ показал, что этот фактор определялся несовершенством некоторых конструктивных решений узлов модели, в частности, наличием непроектных люфтов в резьбовых соединениях V-образных стоек.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Модель была доведена до разрушения (рис. 2.48). Предельное состояние конструкции наступило при равномерно распределенной нагрузке, в 1,2 раза превышающей расчетную, вследствие выхода из плоскости V-образных стоек ферм (одновременно 8 стоек) от поворота узла сопряжения стоек с нижним поясом. Причиной этого послужило образование шарнира пластичности в фасонке этого узла.
Анализ экспериментальных данных по результатам первого этапа испытаний показал, что принятое проектное решение в основном обладает надежностью, определяемой показателями прочности, устойчивости и деформативности. Это подтверждено хорошей качественной и в большинстве случаев количественной сходимостью экспериментальных и теоретических данных. Для увеличения несущей способности конструкции было принято решение на втором этапе испытаний усилить узел сопряжения V-образных стоек с нижним поясом, а также исключить непроектную податливость резьбовых соединений V-образных стоек.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Второй этап испытаний. Во вторую модель были внесены следующие изменения и дополнения. Средняя часть V-образных стоек (вставка-муфта) была усилена обоймами в виде двух элементов, вырезанных из одной трубки продольным резом (рис. 2.49, а, б). Эти элементы приваривались к стойкам после преднапряжения модели. Такое решение позволило исключить непроектную податливость резьбовых соединений элементов муфт. Узел сопряжения V-образных стоек с нижним поясом был усилен двухсторонними полосовыми накладками (сечение 1,5*6 мм), заканчивающимися круглой стальной пластинкой диаметром 45 мм с центральным отверстием для плотной установки на ось шарнира. Полосовые накладки приваривались к V-образным стойкам после преднапряжения модели (рис. 2.49, в). Аналогичное усиление было внесено в проект несущих металлоконструкций покрытия.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

На втором этапе эксперимента определялись прогибы и перемещения узлов, а также напряжения в элементах конструкции при различных схемах и величинах нагрузок (включая превышение на 30 % расчетной). Преднапряжение модели выполнялось аналогично первому этапу испытаний. Расхождения начальной геометрии ферм второй модели и удлинений V-образных стоек после преднапряжения по сравнению с расчетными величинами не превышали 1,5 %.
Сопоставления теоретических и экспериментальных данных по прогибам и перемещениям для различных этапов нагружения второй модели приведены в табл. 2.42-2.48. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по прогибам и перемещениям для нагрузок, превышающих расчетную на 20 % и 30 %, приведено в табл. 2.49 и 2.50. Схема номеров сечений для этих таблиц дана на рис. 2.46. На рис. 2.50 приведен график зависимости экспериментальных прогибов и перемещений от нагрузки. В табл. 2.51-2.61 приведены результаты экспериментальных напряжений в сечениях элементов модели покрытия и сопоставление их с теоретическими данными. (Номера сечений для этих таблиц даны на рис. 2.51.) Принятые обозначения: σN — напряжения от продольных усилий; σMx, σMy — напряжения от изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

На рис. 2.52 и 2.53 приведены экспериментальные эпюры прогибов, продольных усилий, изгибающих моментов и напряжений в основных элементах модели фермы. Там же даны соответствующие теоретические эпюры. В экспериментальных данных учтены дополнительные напряжения от изгибающих моментов из плоскости фермы. Анализ результатов второго этапа испытаний показал следующее. Качественная картина деформированного состояния конструкции модели соответствовала проектной. Осредненные значения экспериментальных прогибов отличались от теоретических значений не более чем на 10 %, а в 90 % случаев эта разница не превышала ±5 %. Наибольшие различия оказались по горизонтальным перемещениям подвижного опорного узла. Напряженное состояние конструкции модели также соответствовало проектной. Все элементы модели покрытия при воздействии на них расчетных нагрузок находились в упругой стадии работы. Наибольшие различия между экспериментальными и теоретическими данными оказались:
- для нижнего пояса — на первых этапах нагружения (особенно на стадии предварительного напряжения), когда выбирались начальные погиби;
- для верхнего пояса — по изгибным напряжениям, так как их величины, ввиду двухзначной эпюры моментов и соответственно больших градиентов по длине фермы, существенно зависят от расположения датчиков. Небольшое смещение от расчетного сечения приводит к значительным изменениям изгибных напряжений;
- для стоек — по продольным напряжениям, ввиду относительно малых их величин.
В то же время различия между максимальными экспериментальными и теоретическими величинами продольных усилий, изгибающих моментов и напряжений в большинстве случаев не превышали 10 % (табл. 2.62). Таким образом, эксперимент показал удовлетворительное совпадение с теоретическими данными как качественно, так и количественно.
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора
Экспериментальное исследование крупномасштабной модели фрагмента покрытия Старого Гостиного Двора

Экспериментально выявлен ряд особенностей работы конструкции, не учтенных в первоначальных расчетах. Под нагрузкой конструкция работает не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Причиной этого является: во-первых, наличие горизонтальных эксцентриситетов в узле примыкания V-образных стоек к нижнему поясу (величина эксцентриситета каждой из стоек модели относительно оси симметрии составила 2,0 мм), а во-вторых, наличие начальных погибей в стойках, при различных величинах усилий в каждой из стоек даже по знаку. Это приводит к закручиванию и горизонтальным перемещениям нижнего пояса, к дополнительным изгибным напряжениям из плоскости нижнего пояса и стоек (максимальные экспериментальные величины соответственно составили 13,6 и 49 МПа). В эксперименте выявлено, что за счет трения шарнирные узлы оказываются упруго защемленными. Это приводит к возникновению дополнительных изгибных напряжений в вертикальной плоскости затяжек и стоек. Для модели они оказались соответственно равными 21,6 и 18 МПа. Кроме того, очевидно по этой же причине, после разгрузки модель полностью не возвращалась в исходное состояние.
Таким образом, в конструкции возникают не учтенные в расчетах дополнительные напряжения, максимальные экспериментальные суммарные величины которых составили: для верхнего пояса — 28 МПа; для нижнего пояса — 35 МПа; для стоек — 67 МПа. Это привело к увеличению максимальных теоретических величин: в верхнем и нижнем поясах на 12 %, а в V-образных стойках на 60 %. При этом суммарные напряжения в элементах модели нигде не превышали расчетных сопротивлений материала.
Модель на 2-ом этапе экспериментальных исследований не была доведена до разрушения. Максимальная равномерно распределенная нагрузка, приложенная к модели, в 1,3 раза превышала расчетную, включающую постоянную и полную снеговую нагрузки.
Испытаниями крупномасштабной модели экспериментально подтверждена надежность проектных решений несущих металлоконструкций применительно к покрытию атриума «Гостиного Двора», определяемая показателями прочности, устойчивости и деформативности.
Похожие новости