CC BY
33
Вісник ПДАБА
Отсюда, учитывая положения работы [1], можно сделать вывод о том, что изменяемость ветровой нагрузки невелика и можно ограничиться проведением линейного расчета.
На третьем этапе исследований выполнялся линейный анализ устойчивости цилиндрических оболочек при ветровом давлении. В результате расчета получены критические
значения ветрового давления qcr w .
Необходимо отметить, что, если достижение предельных значений ветрового давления qecr,w и qHcr,w сопровождается существенным ростом деформаций оболочек, то достижение
нагрузкой критического значения qcr w связано с полной потерей устойчивости оболочки, что
является недопустимым для резервуаров, находящихся в эксплуатации.
Из анализа полученных данных установлено, что для рассматриваемых цилиндрических
оболочек критические значения давления qcr w несколько выше верхних предельных qecr ,
однако отклонения невелики и составляют 5 - 10 %.
Выводы. 1. Анализ деформативного состояния оболочек при ветровой нагрузке показал, что на поверхности оболочек возникают волновые радиальные отклонения, которые являются следствием неоднородного характера нагружения. Величина таких отклонений невелика, однако длина их близка к длине волн выпучивания собственной формы потери устойчивости оболочек.
2. Процесс деформирования оболочек при ветровом давлении имеет в целом устойчивый характер, перестроек формы выпучивания оболочек с увеличением нагрузки не происходит, и в данном случае можно было бы ограничиться проведением линейного расчета устойчивости. Однако, учитывая тот факт, что в натурных резервуарах всегда имеются отклонения от правильной геометрической формы, величина которых может составлять f = (6 + 20) • t, в инженерных расчетах оценки устойчивости резервуаров в качестве предельного значения ветровой нагрузки рекомендуется принимать нижнюю предельную нагрузку qHcr w, определенную нелинейным расчетом.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Л. В. Устойчивость оболочек при неосесимметричной деформации / Л. В. Андреев, Н. И. Ободан, А. Г. Лебедев. - М. : Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 207 с.
2. Егоров Е. А. Исследования и методы расчетной оценки прочности, устойчивости и остаточного ресурса стальных резервуаров, находящихся в эксплуатации / Е. А. Егоров - Д. : Навчальна книга, 2002. - 95 с.
3. Резервуари вертикальні сталеві для зберігання нафти і нафтопродуктів з тиском насичених парів не вище 93,3 кПа. Відомчі будівельні норми України: ВБН В.2.2-58.2-94. -Офіц. вид. - К. : Держкомнафтогаз, 1994. - 98 с.
4. Система обеспечения надежности и безопасности строительных объектов. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования: ДБН В.1.2-2:2006. - К. : Минстрой Украины, 2006. - 78 с.
УДК 625.1
МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ЗАЛІЗНИЧНИХ СПОРУД ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ СУЧАСНИХ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ
В. В. Ковальов, к. т. н.
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту
ім. академіка В. Лазаряна
Ключові слова: земляне полотно залізниць, метод скінченних елементів, підвищення швидкості.
Постановка проблеми та її зв’язок із науковими і практичними завданнями.
Відповідно до «Стратегії розвитку залізничного транспорту України на період до 2020 року» одним з актуальних напрямків є збільшення провізної і пропускної спроможності та підвищення швидкості руху. Все це викликає до необхідність пред’являти нові вимоги до
30
№ 11 листопад 2012
проектування та роботи залізничного споруд. Найважливішими спорудами залізниць є земляне полотно, тунелі, мости і т. д. Від надійної роботи транспортних споруд залежить безпечний та безперебійний рух залізничного транспорту.
Для забезпечення нормальної та безперебійної роботи залізниці необхідно мати у своєму розпорядженні надійний науковий апарат, що дає можливість досліджувати стан земляного полотна, визначати напруження, які виникають у земляному полотні та його основі, достовірно розраховувати стійкість укосів земляного полотна, а також можливість визначати параметри армування земляного полотна. При проектуванні залізничних споруд потрібне застосування нових методів розрахунку, що дозволяють більш широко і достовірно враховувати нелінійну поведінку ґрунту в умовах складного напруженого стану, вплив рухомого складу на стан транспортних споруд.
Аналіз останніх досліджень і публікацій. Застосування нелінійних методів розрахунку, що базуються на розв’язання пружно-пластичних задач, дає можливість максимального наближення математичної моделі до реальних умов [2; 3].
Одним із перспективних методів розрахунку є методи скінченних елементів, граничних елементів і т. д. Сучасні програми, засновані на цих методах, дають можливість отримувати конкретні рішення, визначати в кожній точці основи напружено-деформований стан і враховують такі важливі умови як: фільтраційний тиск, динамічні навантаження, урахування штучних споруд у тілі земляного полотна і т. д.
До основних нелінійних моделей належать: 1) нелінійно-пружна модель, 2) модель пружно-пластичного середовища, 3) теорія пластичної течії і 4) моделі, що базуються на концепції критичного стану ґрунту. Для одержання нелінійних рішень користуються одним із способів: 1) метод нелінійної пружності із січною матрицею жорсткості; 2) метод початкових напружень; 3) метод нелінійної пружності з дотичною матрицею жорсткості (метод Ньютона -Рафсона).
Вибір методики розрахунку і конкретної моделі залежить від завдання, яке необхідно виконати. Основою кожної програми є певна модель ґрунту. Конкретні властивості матеріалу виявляються у співвідношеннях, за допомогою яких обчислюються напруження як функція переміщень або швидкості переміщень. Визначаючи співвідношення, накладають обмеження на можливі процеси деформування матеріалів. Тому оцінку і вибір програмного забезпечення необхідно проводити із залученням певних вимог, які встановлюються для вирішення конкретної проблеми.
Результатами оцінки НДС земляного полотна при впливі рухомого складу є: коефіцієнт стійкості укосів земляного полотна, можлива поверхня руйнування ґрунтового масиву, деформація, напруження, зусилля в утримувальних спорудах, зусилля в прошарках армування, а також повинна враховуватися нелінійність деформування, дилатація, вид напруженого стану.
Виклад матеріалу. В даний час створено досить велику кількість різних програм для розрахунків ґрунтових споруд.
Однією з достатньо поширених у світі програм є розроблений у Нідерландах програмний комплекс PLAXK [4].
PLAXK являє собою пакет скінченноелементних програм для двомірних і тривимірних розрахунків напружено-деформованого стану споруд, стійкості складних геотехнічних систем, композитних ґрунтових систем з урахуванням динамічного впливу.
Для виконання розрахунків в умові тривимірної задачі використовуються самостійні програми PLAXK: 3D Foundation і 3D Tunnel.
PLAXK 3D Tunnel дає можливість розв’язувати складні задачі, що виникають на етапах будівництва, експлуатації, та реконструкції залізничних тунелів (рис. 1).
Програма PLAXK 3D Tunnel дозволяє: автоматично створювати тривимірну розрахункову геометричну модель; моделювати системи навантаження; моделювати основні технологічні етапи будівництва тунелів; моделювати зони взаємодії ґрунту і конструкції тощо.
31
Вісник ПДАБА
Рис. 1. Тунель з анкерами
При моделюванні геотехнічних об'єктів в умові двомірної задачі використовується PLAXIS V9, що враховує нелінійну і залежну від часу поведінку ґрунту, розвиток гідростатичного і надлишкового порових тисків у ґрунті, роботу інженерних конструкцій, армування земляного полотна.
Виконання двомірного аналізу в PLAXK V8 можливе за допомогою двох моделей (рис. 2): модель Plane strain (плоска деформація) і модель Axіsymmetry (вісесиметрична).
Модель Plane strain (плоска деформація) використовується для протяжних споруд із погонним навантаженням, що мають відповідний напружений стан і схему навантаження на визначеному відрізку довжини в напрямку, перпендикулярному поперечному перетину споруди (z-напрямок). Передбачається, що переміщення в напрямку z дорівнюють нулю.
Модель Axlsymmetry (вісесиметрична) використовується для споруд, що мають круглий обрис з більш-менш постійним радіальним перетином і рівномірною схемою навантаження щодо центральної осі, для яких передбачається, що в кожному з радіальних напрямків деформація і напружений стан є однаковими.
Додатковим модулем до програми PLAXK V8 є програма Dynamics Module і програма PlaxFlow. Програма Dynamics Module призначена для розрахунків напружено-деформованого стану масиву при динамічних навантаженнях (гармонічних, імпульсних, сейсмічних) в умовах плоскої й вісесиметричної задач.
Програма PlaxFlow призначена для фільтраційних розрахунків насичених і ненасичених водою ґрунтових масивів методом скінченних елементів в умовах плоскої задачі.
Моделювання різних ґрунтових умов у PLAXK V9 створюється за допомогою таких моделей:
1) Mohr - Coulomb model - пружно-пластична модель Кулона - Мора;
2) Hardening Soil model - модель ґрунту, що зміцнюється (пружно-пластична модель гіперболічного типу), застосовується для моделювання поведінки піску, гравію;
32
№ 11 листопад 2012
3) Soft Soil model - модель слабкого ґрунту (модель типу Cam-Clay);
4) Soft Soil Creep model - модель слабкого ґрунту з урахуванням ефекту повзучості (включає моделювання другої стадії повзучості), може використовуватися для моделювання залежної від часу поведінки слабких ґрунтів;
5) Jointed Rock model - модель анізотропного тріщинуватого скельного масиву, може використовуватися для моделювання шаруватих гірських порід.
Також є можливість моделювання набором готових спеціальних елементів: плитних елементів для моделювання гнучких плоских конструкцій; стрижневих елементів для моделювання анкерів, розпірок, стійок, розкосів; елементів обробки для моделювання тунелів кругового і некругового перетину; тонких плоских елементів для моделювання армування. У програмі можна моделювати послідовність технологічних операцій будівництва, темпів зведення, умов роботи основи і конструкції.
Розрахунок стійкості укосів земляного полотна залізниць програмою PLAXK здійснюється шляхом зниження характеристик міцності ґрунту [4]. Цей процес називається Phi-c reduction.
Коефіцієнт стійкості визначається як відношення реальної міцності на зсув до обчисленої мінімальної міцності, необхідної для рівноваги:
К
S
max. available (макс. можливий)
S
needed for equilib. (необх. для рівноваги)
(1)
Наведений принцип є основою методу Phi-c reduction, що використаний у програмі PLAXK для розрахунків коефіцієнта загальної безпеки. У такому підході знижуються зчеплення і тангенс кута тертя.
С = 2 (2)
cr tan фг
На будь-якому етапі розрахунків можливий візуальний аналіз розвитку напружено-деформованого стану в будь-якому елементі розрахункової схеми за допомогою таких графічних матеріалів як таблиці, епюри, ізолінії, графіки, анімаційне представлення.
Як приклад на рисунку 3 наведено розрахунок стійкості укосів залізничного земляного полотна, армованого геотекстилем.
Рис. 3. Приклади розв ’язання задачі стійкості земляного полотна
На рисунку 4 наведено приклад розрахованих зусиль, що виникають в армованому прошарку земляного полотна.
33
Вісник ПДАБА
Висновки та перспективи подальших досліджень. 1. Програмні комплекси, що базуються на методах скінченних елементів, мають переваги у швидкості розв’язання задач, достовірності отриманих результатів, у варіативності початкових умов та зміни критеріїв.
2. Програмний комплекс PLAXIS дозволяє моделювати поведінку різних залізничних споруд (тунелів, мостів, насипів) та підбирати оптимальні умови їх роботи. Практична доцільність використання методу розрахунку стійкості (коефіцієнта безпеки) програмою PLAXIS доведена низкою праць, що пов’язаних із визначенням стійкості споруд у разі зсувних процесів у ґрунті.
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Інструкція з утримання земляного полотна залізниць України / Л. І. Дяченко, Г. П. Кислий, В. О. Курач. - Д. : Вид-во АТЗТ ВКФ «Арт-прес», 2001. - 104 с.
2. Грицык В. И. Расчеты земляного полотна железных дорог : учеб. пособ. для вузов железнодорож. транспорта / В. И. Грицык. - М. : УМК МПС, 1998. - 520 с.
3. Зоценко М. Л. Математичне моделювання геотехнічних процесів на основі рішень пружно-пластичної задачі нелінійної механіки ґрунтів // Зб. наук. пр. (галузеве машинобуд., буд-во) / Полт. нац. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - Полтава : ПолтНТУ, 2003. - Вип. 12 - С. 96-104.
4. Brinkgreve, R. B. J. and Bakker, H. L. (1991). Non-linear finite element analysis of safety factors. Proc. 7th Int. Conf. on Comp. Methods and Advances in Geomechanics, Cairns, Australia. -Р. 1117 - 1122.
УДК 658.382: 69.059.7
ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИИ ПО ОХРАНЕ ТРУДА НА РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ОБЪЕКТАХ
Л. М. Диденко, к. т. н., проф., Е. А. Берчатова, ст. преп., А. А. Клименко, асп.
Ключевые слова: охрана труда, несчастный случай, система визуальной коммуникации, строительная площадка, реконструкция, модель информационного процесса
Введение. Одной из причин несчастных случаев и аварий во время производства технологических процессов при реконструкции старых и строительстве новых объектов на строительных площадках является неправильная организация системы информации по охране труда либо ее отсутствие.
Актуальность. При реконструкции промышленных и гражданских объектов деятельность рабочего-строителя регламентирована требованиями как технологического процесса основного производства, так и строительных процессов, протекающих на реконструирующихся объектах и отдельных участках. В этих условиях роль визуальной коммуникации в сфере строительного производства важна и заметно возросла в связи с: а) широким применением элементов визуальной коммуникации на всех участках строительства; б) возросшим эстетическим уровнем преобразования строительного производства; в) возросшим влиянием элементов
34
