Экспериментальные исследования при оценке напряженно-деформированного состояния строительных конструкций и сооружений Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

РАЗДЕЛ 2.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.014

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И

СООРУЖЕНИЙ

Ажермачёв Г.А., к.т.н., профессор

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Рассматриваются пути корректного проведения экспериментальных исследований, позволяющие получить наиболее объективное напряженно-деформированное состояние исследуемых конструкций и показать степень подтверждения принятых теоретических предпосылок, принятых при расчете объекта. Даются рекомендации по составлению программы экспериментальных исследований и анализу корректности экспериментальных данных.

напряженно-деформированное состояние, эксперимент, объект исследования, планирование

Введение и анализ публикаций

При разработке новой конструкции, сооружения, машины и т. п. инженер сначала представляет их в уме, создает их образы в голове и разбирает «по косточкам», представляя себе, как они будут работать при тех или иных силовых воздействиях, хотя ни чертежей, ни объекта еще нет. Инженер должен иметь гибкое мышление, то есть способность изменять намеченный вначале путь решения задачи, если он не удовлетворяет тем условиям проблемы, которые постепенно вырисовываются в ходе ее решения и тем, которые не удалось учесть с самого начала.

Высокая квалификация и гибкость мышления обеспечивают достаточно полный учет специфических условий решения именно данной задачи, строгое подчинение логики всех рассуждений обоснованию и доказательству избранного пути решения. Именно благодаря гибкому мышлению инженеру удается найти новый подход, новые способы решения, наиболее полно отвечающие требованию задания.

После проработки образа новой конструкции инженер переходит к теоретическим расчетам, оперируя идеализированными моделями, расчет которых позволяет установить существующие связи и закономерности, недоступные при изучении реальных объектов. Конечно, объективность идеализированных расчетных моделей зависит от степени развития науки и квалификации инженера.

После этого создается конструкция или ее модель, и исследуется напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов во взаимосвязи и всей конструкции, то есть проводятся экспериментальные исследования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получение объективных показателей НДС конструкции.

Эксперимент - один из основных методов научного познания. От наблюдения он отличается тем, что позволяет исследователю активно вмешиваться в ситуацию исследования, манипулируя одним или несколькими факторами при изучении объекта. Правильно поставленный эксперимент позволяет проверить гипотезы о причинно-следственных отношениях, не ограничиваясь корреляцией между переменными. Различают однофакторные и многофакторные эксперименты. При однофакторном эксперименте исследователь имеет дело с одной переменной величиной, при многофакторном - с несколькими переменными величинами. Во втором случае имеется возможность оценки

взаимодействия факторов при изменении характера одной или даже нескольких величин на изменение других.

Если изучается область науки, о которой пока мало информации или вообще она отсутствует, то проводят «пилотный» эксперимент. В этом случае результаты «пилотного» эксперимента могут уточнить направления дальнейших исследований.

В строительной практике экспериментальные исследования проводятся уже несколько десятков веков: Архимед, Леонардо да Винчи, Гук Р., Кулибин И.П., Белелюбский Н.А., Патон Е.О., Шухов В.Г., Стрелецкий Н.С., Давиденков Н.Н. и многие другие.

По виду экспериментальные исследования разделяют, в основном, на лабораторные и натурные, это зависит от того, какая задача решается [1, 2, 3]. Иногда грань между одними и другими трудно установить. Натурные экспериментальные исследования проводятся довольно редко. В основном, это связано с большим расходом средств, однако влияют и другие условия, особенно связанные с фактическими нагружениями и т. п., в конечном итоге экспериментальные исследования сводятся к определению НДС и надежности конструкций и сооружений.

Обстоятельные экспериментальные исследования по проверке несущей способности конструкций и сооружений могут дать специалисту очень много, и в том числе определить действительную расчетную модель вновь проектируемого или существующего сооружения [4,5].

В настоящее время часто можно услышать, что физический эксперимент можно заменить численным, используя существующие программы. Иногда это оправдано, иногда неоправданно, так как при численном эксперименте используется опять же идеализированная расчетная модель, которая в большей или меньшей степени отличается от фактической.

План экспериментальных исследований

Планируя проведение экспериментальных исследований, необходимо изучить известные работы, в которых рассматривались вопросы, предполагаемые к изучению.

Необходимо иметь в виду, что каждый эксперимент следует оценивать только по его собственным достижениям. Нельзя оправдывать ту или иную слабость данного эксперимента на основании того, что она отсутствует в другом эксперименте, который в свою очередь может иметь какие-то слабости, если же он их не имеет, то первый эксперимент следует отбросить или делать заключения на основе второго.

Эксперимент нельзя считать окончательным доказательством, если в нем имеется дефект, позволяющий объяснить результат иными причинами.

Эксперимент следует оценивать по его слабейшему звену. Нехватку контроля в одном месте невозможно возместить избытком контроля в другом. Нельзя к тому же упускать из виду ни один фактор, могущий повлиять на результаты эксперимента.

Критика результатов экспериментальных исследований должна быть исчерпывающей точно так же, как исчерпывающими должны быть результаты эксперимента, стремящиеся установить истину.

Мало у кого найдется достаточно времени, чтобы проверить все когда-либо проведенные эксперименты, касающиеся исследуемой проблемы.

Необходимо прежде всего остановиться на тех экспериментальных исследованиях, которые проводились в авторитетных коллективах или известными специалистами. Сделать обзор источников и отбросить те эксперименты, планировка которых содержит слабые места, так и те, которые можно отметить как оригинальные. После анализа найденной информации должна составляться программа экспериментальных исследований для решения предстоящей задачи.

Здесь могут встретиться два случая.

Первый случай. По данной проблеме экспериментальных исследований не обнаружено и нет теоретических разработок, позволяющих определить НДС элементов,

конструкций и сооружений, то есть исследованию подлежит новое конструктивное решение.

Второй случай. Конструктивное решение довольно хорошо исследовано, однако некоторые вопросы предыдущими авторами не рассматривались. В этом случае при планировании эксперимента необходимо принять к сведению имеющиеся результаты и составить план, касающийся тех вопросов, которые стоят перед вами.

Что касается первого случая, то здесь необходимо планировать поисковые экспериментальные исследования. Основная характеристика этого экспериментального исследования состоит в том, что исследователю позволительно вести поиск в широком диапазоне, дерзко идти вперед, вглядываясь во все, что может оказаться для него важным, и не отягощать себя чрезмерными предосторожностями. Эта дерзкая, экстравагантная фаза исследований. Конечно, она представляет собой первую стадию исследований, но лишь в силу их естественного порядка.

Если верно, что без поисковой стадии науке было бы нечего или почти нечего устанавливать или проверять, но столь, же верно что, с одной лишь этой стадией ни единый результат не был бы твердо установлен.

При планировании окончательного эксперимента необходимо обеспечить некоторые обязательные требования.

Надежность результатов измерений. Это зависит от корректности нагружения, качества и возможности измерительной техники.

Тщательности записей показаний измерительной аппаратуры и состояния исследуемого объекта. Опыт исследований показывает, что лучше, если отсчеты показаний регистрирующих приборов и состояние объекта исследований фиксируют два человека независимо. Это позволяет более объективно оценить результаты эксперимента, так как при проведении эксперимента могут быть не зафиксированы какие-то факторы, которые могли повлиять на НДС объекта.

После анализа данных эксперимента необходимо увязать факты, если это возможно, друг с другом посредством единой теории, которая позволяет вывести отдельных факт из всех остальных, то такая теория (зависимость) будет иметь некую ценность и правдоподобность. Эта зависимость может подсказать ход последующих экспериментов и тем самым подвергать её дальнейшей проверке. Зато теория, которая не может объяснить значительную часть фактов и не дает возможность предсказывать ход дальнейших экспериментов, никакой ценности не имеет.

Анализ публикации по экспериментальным исследованиям показывает, что их можно для удобства разделить на верные и неверные. Верные выживают, ибо подтверждаются дальнейшими исследованиями. Неверные забываются, ибо не могут быть подтверждены.

Наука развивается путем естественного отбора. Новые результаты становятся мишенью для критики, новый результат должен быть подтвержден критиками в их собственных экспериментальных исследованиях, при этом очень скоро становится ясно, нужно его отвергать или нет.

Что может повлиять на качество проведения экспериментальных исследований?

Слабость плана экспериментальных исследований. Эксперимент должен удовлетворять критиков.

Отсутствие критики в процессе эксперимента.

Неадекватность отсчетов об эксперименте. Ход эксперимента должны описывать, как минимум, два человека. Многочисленные расхождения в разных описаниях эксперимента могут поставить под сомнение аутентичность завершающего отчета.

4. Чрезмерные претензии экспериментаторов.

5. Отсутствие в описании эксперимента существенных сторон его условий проведения (температура, ветер, влажность и т. п.).

6. Невозможность постоянно оценивать полученные данные.

7. Невозможность подтвердить полученный результат.

Невозможность предсказать (подтвердить) экспериментальный результат является лишь одним из аспектов более широкой проблемы - неспособность делать предсказания на основе экспериментальных исследованиях.

В науке на основании уже установленных фактов, как правило, удается представить, что произойдет в новых экспериментальных условиях или при эксплуатации конструкций (например, места с высокими концентраторами напряжений являются очагами хрупкого разрушения конструкций при понижении температуры, при ударных и циклических нагружениях и т. д.).

Экспериментальные исследования иногда проводят с целью определения действительной расчетной модели эксплуатируемого сооружения или отдельных конструкций. В этом случае по эпюрам усилий и перемещений можно построить действительную расчетную модель конструкции с учетом всех факторов, влияющих на НДС с учетом закреплений, наличия дефектов и других моментов, которые трудно установить в эксплуатируемом объекте.

Вышоды

Эксперимент - это один из основных способов познания объекта.

Правильно постановленный эксперимент позволяет проверить гипотезы и причинно -следственные связи взаимодействия элементов в исследуемом объекте.

Планируя экспериментальные исследования необходимо ознакомиться с имеющей информацией, касающейся поставленной задачи.

Эксперимент следует оценивать по слабому звену.

Эксперимент заслуживает внимания только тогда, когда его можно повторить.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Давиденков Н. Н. Динамическая прочность и хрупкость металлов, Избранные труды. Т. Л. Киев. 1981. - 704 с.

Ажермачёв Г. А., Остриков Г. М. Результаты натурных замеров сейсмических колебаний большепролетного здания_-. Промышленное строительство.-№5.-1970. - С. 2729. Ажермачёв Г. А. Экспериментальные исследования бокового давления на подкрановые конструкции при движении мостового крана с раздельным приводом / Исследование, проектирование и монтаж строительных металлических конструкций. 3 научно -техническая конференция. Казахское отделение ЦНИИПСК. Алма-Ата.- 1972. - С. 14-17. Ажермачёв Г. А. Экспериментальное исследование стального каркаса - оболочки / Всесоюзное совещание 4 научной сессии советской национальной комиссии по пространственным конструкциям. Алма-Ата.-1973. - С.83-88. Ажермачёв Г. А. Конструктивные решения сооружений и расчетные модели. /Строительство и техногенная безопасность. Алушта - Симферополь. 2011. Вып.35. - С. 193-197.

УДК 519.6

РАСЧЕТ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛАСТИНЫ С ПРИВЕДЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ Чемодуров В.Т., Канцеров П.М.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Рассматривается один из вариантов расчета многослойной пластины с жестко закрепленными краями. Показана возможность приведения многослойной пластины к однородной с приведенным модулем упругости. Получено уравнения прогиба пластины в виде ряда с применением метода Леви.

Полоса-балка, жесткое крепление, прогиб пластины, приведенная жесткость, упругость ортотропного тела.