CC BY
4DOI: 10.15393/j102.art.2017.801 УДК 539.3
Исследование напряженно-деформированного состояния трехмерной стержневой
конструкции остановочных комплексов
Картавский Владислав Васильевич, Гродников Дмитрий Вячеславович Студент 1 курса, Петрозаводский филиал Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
Петрозаводск, Россия
Аннотация. Статья посвящена актуальной проблеме возникновения избыточно больших деформаций элементов трехмерной стержневой конструкции остановочных комплексов в ходе их эксплуатации. В статье описывается экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкции ряда реальных остановочных комплексов.
Ключевые слова: остановочный комплекс; напряженно-деформированное состояние; снеговая нагрузка; деформация.
Investigation of the stress-strain state of the three-dimensional rod structure of bus stops
Kartavskij Vladislav Vasilevich, Grodnikov Dmitrii Viacheslavovich Student, 1 course, Petrozavodsk branch
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
Petrozavodsk, Russia
Tel: (814-2) 78-41-96 E-mail: 555vek@bk.ru
Abstract. The article is devoted to the actual problem of excessively large deformations of the three-dimensional rod structure elements of the bus stops during their operation. The article describes the experimental investigation of the stress-strain state of construction of several real bus stops.
Keywords: Bus Stop; Stress-Strain State; Snow Load; Deformation.
Введение
Остановочные комплексы - это сооружения некапитального типа, представляющие собой трехмерные стержневые конструкции, устанавливаемые на остановках общественного транспорта, с целью защиты пассажиров от атмосферных осадков и ветра. Соответственно, конструкции остановочных комплексов должны удовлетворять условиям надежности, экономичности и долговечности [1, 2]. Обеспечение данных условий невозможно без проведения прочностных расчетов на стадии проектирования конструкций остановочных комплексов с использованием современных машинных технологий реализации прочностных расчетов методом конечных элементов [3, 4].
В ходе эксплуатации остановочных комплексов нередко наблюдаются избыточно большие деформации элементов их конструкций, а также частичное или полное разрушение, ведущие к возникновению аварийного состояния остановочных комплексов, что является существенной проблемой, требующей решения.
Можно предположить, что одной из значимых причин этого является несоответствие прочностных характеристик конструкций остановочных комплексов требованиям прочности и жесткости. Эти нарушения являются следствием ошибок при проведении прочностных расчетов на этапе проектирования конструкций остановочных комплексов или даже отсутствием прочностных расчетов в принципе. В связи с чем целью настоящей работы является проверки выдвинутого предположения. Реализация поставленной цели осуществлена посредством экспериментального исследования ряда реальных остановочных комплексов, в ходе которого выполнены измерения вертикальных прогибов горизонтальных стержней. Величина вертикального прогиба характеризует прочность и жесткость конструкции. В соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.0785*» величина предельного вертикального прогиба должна быть не более 1/200 длины горизонтального стержня.
Материалы и методы
Экспериментальное исследование проводилось в феврале 2017 года в городе Петрозаводске (Республика Карелия, Россия). В качестве объекта исследования выбрана конструкция остановочного комплекса, наиболее часто подверженная избыточно большим деформациям ее элементов и разрушению при снеговой нагрузке (рисунок 1). Данная конструкция представляет собой трехмерную стержневую систему, в которой основными несущими элементами являются четыре стойки 1, на которые опираются два горизонтальных стержня 2, на которые, в свою очередь, опираются четыре арки 3. Все стержни выполнены из стальных труб прямоугольного поперечного сечения: стойки 50*50*2 мм, горизонтальные стержни и арки 40*20*1,5 мм. Длина каждого горизонтального стержня 2 равнялась 4540 мм.
Рисунок 1. Исследуемая конструкция остановочного комплекса (ул.
Щербакова).
Измерения величины вертикальных прогибов горизонтальных стержней 2 выполнены на восьми остановочных комплексах данной конструкции, расположенных в разных районах города Петрозаводска (рисунок 2 и рисунок 3). Среднее значение величины снежного покрова составляла 0,310 м, плотность снега - 350 кг/м3. Соответственно, вес снегового покрова на 1 м2 составлял 1085 Н/м2.
Необходимо отметить, что при проведении прочностных расчетов на этапе проектирования стержневых конструкций вес снегового покрова на 1 м2 в соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» принимается в зависимости от снегового района. Так, город Петрозаводск относится к V снеговому району и вес снегового покрова на 1 м2 соответствует 3200 Н/м2.
Рисунок 2. Остановочные комплексы на ул. Репникова (слева) и ул. Антонова
(справа).
Рисунок 3. Схема расположения исследуемых остановочных комплексов: 1 - ул. Репникова, 2 - ул. Антонова, 3 - ул. Сегежская, 4 - ул. Щербакова, 5 - ул. Гоголя, 6 - ул. Красноармейская, 7 - пр. Комсомольский, 8 - ул. Чистая.
В ходе экспериментального исследования осуществлялась пятикратная повторность измерений.
Результаты
По результатам исследований была получена выборка данных величины вертикальных прогибов горизонтальных стержней 2. Для полученных данных произведена статистическая обработка общепринятыми методами математической статистики с использованием программного пакета Microsoft Office Excel 2010 [5-8] для 5 %-го уровня значимости. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты измерения вертикальных прогибов горизонтальных стержней.
Показатели Значения
Среднее значение вертикальных прогибов, мм 165,63
Среднеквадратичное отклонение, мм 11,48
Дисперсия выборки, мм2 131,70
Доверительный интервал, мм 30,00
Нижняя граница доверительного интервала, 150,00
мм
Верхняя граница доверительного интервала, 180,00
мм
Обсуждение и заключение
Как видно из таблицы 1, среднее значение вертикальных прогибов горизонтальных стержней составило 165,63 мм, а величина предельного вертикального прогиба в соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» - 22,70 мм (4540/200). Соответственно, реальные значения вертикальных прогибов горизонтальных стержней превысили предельные в 7,3 раза. Кроме того, принимая во внимание величину доверительного интервала, необходимо отметить, что даже нижняя граница доверительного интервала реальных значения вертикальных прогибов превышает предельный в 6,6 раза, а верхняя граница в 7,9 раза. При этом, столь значительное превышение реальных значений над предельны наблюдались при снеговой нагрузке (1085 Н/м2) почти в три раза меньшей расчетной для города Петрозаводска (3200 Н/м2). Все это говорит о значительном несоответствии прочностных характеристик конструкции остановочных комплексов требованиям прочности и жесткости. Для того чтобы повысить прочностные характеристики исследуемой конструкции остановочных комплексов необходимо, в соответствии с законом Гука, увеличить площадь поперечного сечения горизонтальных стержней. Конкретные значения площади поперечного сечения должны быть определены в ходе прочностных расчетов методом конечных элементов (FEM) с использованием современных программных пакетов, например, таких как «КОМПАС -3D», «SOLIDWORKS» или «ANSYS» [9-10].
Благодарности
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук Т. А. Гаврилову, оказавшему большую помощь ценными консультациями и замечаниями.
Список литературы:
1. Волошановская Ю. Э., Тихонова О. Н. Расчет стержневых конструкций с учетом пластических деформаций материала: монография. - Москва: Директ-Медиа. - 2014.
- 152 с.
2. Левин В. Е., Пустовой Н. В. Механика деформирования криволинейных стержней: монография. - Новосибирск: Издательство НГТУ. - 2008. - 208 с.
3. Гаврилов Т. А. Информационные технологии в междисциплинарных исследованиях возможностей ресурсосбережения // Информационная среда ВУЗа XXI века: материалы VII Международной научно-практической конференции. - 2013. - С. 4850.
4. Зайцева М. И., Девятникова Л. А., Никонова Ю. В., Колесников Г. Н. Информационные технологии в научно-исследовательской работе студентов технических факультетов // Информационная среда ВУЗа XXI века: материалы VII Международной научно-практической конференции. - 2013. - С. 86-89.
5. Gavrilov T. А., Stankevich T. B., Anpilogova O. А., Kolesnikov G. N., Chernyaev L. A. Debarking waste processing: a systematic review // Resources and Technology. - 2016. -Т. 13. - № 3. - С. 71-77.
6. Зайцева М. И., Колесников Г. Н., Робонен Е. В., Чернобровкина Н. П. Отходы переработки хвои сосны обыкновенной как материал для теплоизоляционных плит // Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы 3 -й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. - 2013. - С. 27-30.
7. Гаврилов Т. А., Малинов Г. И., Карпин В. Ю., Кондрашов В. Ф. Исследование температурного режима в режущем механизме измельчителей мясного корма // Техника в сельском хозяйстве. - 2014. - № 1. - С. 29-31.
8. Гаврилов Т. А. Ресурсосберегающие технологии переработки отходов в виде биомассы древесины // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции.
- 2014. - С. 20-24.
9. Малинов Г. И., Кондрашов В. Ф., Гаврилов Т. А. Определение углов скольжения лезвия в процессе опорного резания // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. - 2012. - № 8-2 (129). - С. 40-42.
10. Stankevich T. B., Anpilogova O. А., Malinov G. I., Gavrilov T. А. The efficiency rise of the feeds grinding process by optimizing its parameters // Resources and Technology. -2015. - Т. 12. - № 2. - С. 89-97.
References:
1. Voloshanovskaya J. E., Tikhonov O. N. Calculation of beam structures with consideration of plastic deformation of material: monograph. - Moscow: Direct Media. - 2014. - 152 p.
2. Levin V. E., Pustovoy N. V. Mechanics of deformation of curved rods. - Novosibirsk: NGTU Publishing house. - 2008. - 208 p.
3. Gavrilov T. A. Information technology in interdisciplinary researches of resource saving opportunities // The information environment of the university of the XXI century. - 2013. -Р. 48-50.
4. Zaitseva M. I., Devyatnikova L. A., Nikonova Yu. V., Kolesnikov G. N. Information technology in researches of engineering students // The information environment of the university of the XXI century. - 2013. - Р. 86-89.
5. Gavrilov T. А., Stankevich T. B., Anpilogova O. А., Kolesnikov G. N., Chernyaev L. A. Debarking waste processing: a systematic review // Resources and Technology. - 2016. -V. 13. - № 3. - Р. 71-77.
6. Zaitseva M. I., Kolesnikov G. N., Robonen E. V., Chernobrovkina N. P. Waste recycling needles of Scots pine as a material for insulation boards // Perspective development of science, engineering and technology: materials of 3rd International scientific-practical conference in 3 volumes. - 2013. - P. 27-30.
7. Gavrilov T. A., Malinov G. I., Karpin V. Yu., Kondrashov V. F. Study the temperature in the cutting mechanism of the chipper feed meat // Equipment in agriculture. - 2014. - № 1. - P. 29-31.
8. Gavrilov T. A. Waste recycling resource conserving technologies in the form of wood biomass // Resource-saving technologies, materials and designs. - 2014. - P. 20-24.
9. Malinov G. I., Kondrashov V. F., Gavrilov T. A. Determination of blade sliding angle in process of reference cutting // Proceedings of Petrozavodsk state university. - 2012. - № 8-2 (129). - P. 40-42.
10. Stankevich T. B., Anpilogova O. A., Malinov G. I., Gavrilov T. A. The efficiency rise of the feeds grinding process by optimizing its parameters // Resources and Technology. -2015. - V. 12. - № 2. - P. 89-97.
© 2017 KapTaBCKHH B. B., TpogHHKOB B.
