Бесплатная публикация статей в журналах ВАК и РИНЦ

Уважаемые авторы, образовательный интернет-портал «INFOBRAZ.RU» в рамках Всероссийской Образовательной Программы проводит прием статей для публикации в журналах из перечня ВАК РФ по направлениям: экономика, философия, политология, педагогика, филология, биология, сельское хозяйство, агроинженерия, транспорт, строительство и архитектура и др.

Возможна бесплатная публикация статей в специализированных журналах по многим отраслям и специальностям. В мультидисциплинарных журналах возможна публикация по всем другим направлениям. 

Журналы реферируются ВИНИТИ РАН. Статьям присваивается индекс DOI. Журналы включены в международную базу Ulrich's Periodicals Directory и РИНЦ.

Подпишитесь на уведомления о доступности опубликования статьи. Первую рекомендацию вы получите в течении 10 минут - ПОДПИСАТЬСЯ

  • Библиотека
  • Инженерия
  • МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕКАНОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕКАНОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

УДК 624.01

МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕКАНОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

В. П. Агапов, Р. О. Голованов

Мытищинский филиал ФГБОУ ВПО «Московский Государственный строительный университет»,

г. Мытищи

Аннотация. Приводится анализ существующих структурных конструкций и предлагается использование новых пространственно-стержневых систем со сферически-шарнирными узлами. Обосновывается необходимость разработки новых типов узловых соединений, позволяющих создавать конструкции неканонической формы с учетом современных тенденций архитектурного проектирования. Описывается методика экспериментальных и расчетных исследований пространственных стержневых конструкций. Экспериментальные исследования проводятся на натурных моделях. Рассматривается способ построения таких моделей и описывается модель одной из сложных пространственных конструкций. Форма модели выбрана в виде бизона. Стержни модели имеют одинаковое сечение и одинаковые оголовки. В качестве материала использовалась древесина. Узлы имеют многогранную форму. При этом в каждом узле конструкции присутствуют вставки, позволяющие соединять узы и стержни шарнирно, жестко или упруго. Используемые вставки дают возможность стержням примыкать к узлам под разными углами и тем самым создавать конструкции сложной формы. Расчетные исследования проводятся методом конечных элементов. Дается краткое описание вычислительного комплекса метода конечных элементов ПРИНС, исследуются его возможности и приводятся результаты статического расчета натурной модели с помощью этого комплекса. Делаются выводы о дальнейших перспективах развития пространственных стержневых конструкций предложенного типа.

Ключевые слова: Пространственные стержневые конструкции, натурные модели, статические расчеты, метод конечных элементов

Структурная конструкция (струк­тура) – это пространственная стержневая система, используемая, обычно, как несущая конструкция покрытия. Чаще применяют плоские структуры, которые представляют собой ряд пересекающихся между собой ферм, расположенных наклонно или вертикально. Обычно решетка этих ферм треугольная из одинаковых элементов, элементы поясов также имеют постоянное сечение, все узлы одинаковы.

В мировой практике применения структур насчитывается около 20 типовых систем, различающихся прежде всего конструкцией узла сопряжения стержней. Именно в узле сопряжения сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки конструкции, определяющие конкурентные отличия одних систем от других.

До середины 80-х годов двадцатого века наибольшее распространение в нашей стране получили узловые соединения «МАрхИ» и «Кисловодск» [1, 2]. В настоящее время, для объединения трубчатых профилей наибольшее распространение получили комбинированные узлы систем «Меро» и «Ваймер» (Германия), «МАрхИ» (Россия), «NS» (Япония), а также узловые соединения с использованием монтажной сварки «Октаплатт» (Германия) и «SDS» (Франция) [3-5].

Узел соединения стержней – наиболее ответственная, сложная и самая главная деталь в структуре ­[6–7], а тем более в сферическом узловом соединении стержней. Конструкция узлового соединения зависит от пространственного расположения стержней и возможностей завода-изгото­вителя.

Разрабатываемые пространственно-стержневые конструкции (ПСК) отличаются от существующих структур: устройством опорных узлов, формой этих узлов, креплением стержней к этим узлам, материалом изготовления узлов и стержней ­[8–10]. Расчет ПСК производился на вычислительном комплексе ПРИНС [11]. Ниже приводится описание одной из подобных конструкций, ее проектирование, расчет и изготовление.

Описание
пространственно-стержневой конструкции «Бизон 1»

ПСК «Бизон 1» представляет собой несущую стержневую систему объединенную узлами. Форма модели выбрана в виде одноименного животного (рис. 1а). При создании 3D модели, учитывалось, что стержни должны иметь одинаковые оголовки и поперечные сечения, а узлы многогранную форму. Материал стержней – ель, материал узлов – массив березы (рис. 1б).

В узле сопряжения стержней ПСК с шарнирными узлами «Бизон 1» сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки этой конструкции. В каждом узле конструкции обязательно присутствуют два устройства это: шаровые шарниры (рис. 2) и приузловые вставки (рис. 3); они позволяют соединять узы и стержни шарнирно, жестко или упруго. Шаровые шарниры дают возможность стержням примыкать к узлам под разными углами и тем самым создавать конструкции сложной формы.

Еще одной особенностью ПСК является то, что в узлах имеются различные комбинации связей (жесткие, шарнирные, упругие).

Узлы в ПСК – индивидуальные, число граней в них нарезалось под число шарниров в этих узлах.

Модель имеет следующие размеры: длину – 4.14 м; ширину – 1.6 м; высоту – 3.23 м. Узлов было изготовлено – 34, стержней – 99, ее общий вид показан на рис. 1а, подробное описание этой конструкции дано в [1].

Вычислительный комплекс ПРИНС (ВК ПРИНС)

Вычислительный комплекс ПРИНС предназначен для расчета строительных, машиностроительных, авиационных, автомобильных, судовых и других типов конструкций на прочность, устойчивость и колебания методом конечных элементов. Универсальность комплекса обеспечивается библиотекой конечных элементов, включающий: 1) элемент пространственной фермы; 2) элемент пространственной рамы; 3) мембранный элемент; 4) осесимметричный элемент; 5) элементы тонких пластинок/оболочек постоянной и переменной толщины, в том числе многослойные); 6) элементы сплошной среды; 7) граничный элемент (пружина).

ВК ПРИНС позволяет проводить статические и динамические расчеты, а также расчеты на устойчивость. Статические расчеты проводятся на действие заданных нагрузок, собственного веса, температуры, сейсмических нагрузок, комбинаций этих воздействий с подбором арматуры или проверкой прочности элементов. Возможен расчет железобетонных плит и оболочек с учетом трещинообразования и пластических деформаций в бетоне. Для пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций, выполняемых из материалов с заданной диаграммой «напряжение-деформация», возможен расчет с учетом как физической, так и геометрической нелинейности. Расчет строительных конструкций проводится с учетом требований строительных норм и правил.

Расчет на вынужденные колебания проводится на действие переменных во времени нагрузок, в том числе нагрузок сейсмического типа, заданных реальными акселерограммами. По результатам расчета определяются перемещения узлов, усилия в элементах конструкции, а также нагрузки на оборудование (спектры ответов).

Расчет на собственные колебания проводится как без учета, так и с учетом начальных усилий от собственного веса, приложенных нагрузок, температуры и сил инерции вращения.

Имеются средства для автоматизации ввода и визуальных результатов расчета.

ВК ПРИНС работает на персональных компьютерах в операционной среде WINDOS. Программа поставляется на компакт-дисках и снабжается инструкцией для пользователя и демонстрационным руководством. Проводятся консультации и обеспечивается сопровождение программы.

Расчет ПСК «Бизон 1»
на ВК ПРИНС

ПСК «Бизон 1» рассчитывалась на статическую нагрузку от собственного веса, цель расчета – получение значений внутренних усилий в стержнях данной модели.

Перед тем как приступить к расчету данной модели был создан ее осевой 3D чертеж в среде AutoCAD (рис. 3). После этого этот чертеж переносился в среду ВК ПРИНС, где на каждой линии создавался модуль (рис. 4), тем самым чертеж превращался в расчетную модель.

 

Для каждого модуля задавались: материал, поперечное сечение стержня, кинематические граничные условия (в том числе и способы прикрепления конструкции к земле).

В первую очередь задавались кинематические граничные условия общие для модулей. В данном случае каждому модулю разрешались перемещения в пространстве по осям X-Y-Z и поворот относительно одноименных осей. После чего происходило закрепление 4 опор с землей, были введены шарнирно-неподвижные опоры.

При вводе данных для расчета в ВК ПРИНС сделано одно допущение, а именно, все упругие связи были заменены жесткими. Это позволило во всех узах задавать комбинации только из шарнирных и жестких связей.

После ввода всех данных производился статический расчет ПСК «Бизон 1». Результаты расчета стержневых элементов в программе ПРИНС выводятся в виде эпюр усилий. В качестве примера вывода результатов на рис.5 показан фрагмент конструкции, а на рис. 6 – эпюра продольных сил для него.

Выводы

1. Расчет сложных стержневых систем типа ПСК «Бизон 1» возможен на ВК ПРИНС.

2. При проектировании конструкции, соединения стержней в узлах задавать жесткими или шарнирными, то есть по возможности избегать упругих связей. Это возможно при замене материала элементов ПСК с дерева на металл.

3. Для расчета на ВК ПРИНС желательно экспериментально определять физические и механические характеристики материала стержней.

4. Для проверки достоверности результатов расчета на ВК ПРИНС необходимо экспериментально определять внутренние усилия в стержнях ПСК и определять перемещение контрольных точек конструкции под нагрузкой, сопоставляя эти данные с результатами расчета.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Мельников Н. П. Металлические конструкции. Справочник проектировщика – М., 1980. – 776 с.
  2. Рекомендации по проектированию структурных конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко. – М., – 1984. – 298 с.
  3. Драган В. И., Шалобыта Н. Н. К вопросу эффективности узлового соединения структурных конструкций // Вестник Брестского государственного технического университета. – 2006. – № 1. – С. 127–129.
  4. Драган В. И., Шалобыта Н. Н., Мухин А. В., и др. Новая металлическая структурная конструкция системы «БрГТУ». Опыт проектирования, исследований и строительства в республике Беларусь // МГСУ, Институт Строительства и архитектуры. М. : МГСУ, 2011. – Вып. 3. – С. 34–37.
  5. Клячин А. З. Металлические решетчатые пространственные конструкции регулярной структуры (разработка, исследования, опыт применения). // Екатеринбург: Диамант, 1994. – 76 с.
  6. Антошкин В.Д. Эффективные конструктивно-технологические решения // Региональная архитектура и строительство. – 2015. – № 3. – С. 112–121.
  7. Антошкин В. Д. Исследование расчетных моделей несущего каркаса с составным сферическим структурным покрытием. //Academia. Архитектура и строительство. – 2017. – № 1. – С. 134–138.
  8. Голованов Р. О. Сравнительный анализ пространственно-стержневых конструкций со сферически шарнирными узлами «Бизон» и «Бизон 1» // Вестник развития науки и образования – 2013. – № 4. – С. 10–16.
  9. Голованов Р. О. Сооружения типа «Ковчег» // Научное обозрение – 2015. – № 13. – С. – 53–57.
  10. Голованов Р. О. Создание моделей сооружения типа «Ковчег», их гидроиспытания на ветровую нагрузку // Научное обозрение – 2016. – № 20. – С. 6–10.
  11. Агапов В. П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости конструкций. – Изд-во АСВ, М., 2005. – 247 с.

Метки: Инженерия