CC BY
47
УДК 624.1; 624.9; 627.4; 627.5
ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С НАПОЛНИТЕЛЕМ
© А.Т. Беккер1, Н.Я. Цимбельман2, В.И. Селиверстов3, Т.И. Чернова4
Дальневосточный федеральный университет, 690950, Россия, г. Владивосток, ул. Суханова, 8.
Рассматриваются комбинированные конструкции, состоящие из тонкой цилиндрической оболочки, заполненной грунтом. Представлен анализ теоретических и экспериментальных исследований оболочечных конструкций с наполнителем в строительной отрасли. Приводится описание экспериментальных исследований, направленных на построение методики расчёта деформации цилиндрических ячеек, приведены результаты исследований деформационных свойств наполнителя оболочечной конструкции, выполнена оценка влияния степени уплотнения наполнителя на устойчивость оболочечных конструкций. Проведены модельные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния оболочек с наполнителем, определены напряжения в теле оболочки.
Ил. 7. Библиогр. 24 назв.
Ключевые слова: цилиндрическая оболочка; грунт; напряженно-деформированное состояние; экспериментальные исследования.
STUDIES OF STRESS-STRAIN STATE OF INFILLED SHELL STRUCTURES A.T. Bekker, N.Ya.Tsimbelman, V.I.Seliverstov, T.I. Chernova
Far Eastern Federal University, 8 Sukhanov St., Vladivostok, 690950, Russia.
The article considers the composite structures consisting of a thin cylindrical shell filled with soil. It analyzes theoretical and experimental studies of infilled shell structures in the building industry. Experimental researches aimed at the development of the procedure to calculate cylindrical cells deformation are described. The results of studying deformation properties of shell construction filler are presented. The effect of the filler compaction degree on the stability of sh ell constructions is assessed. The authors have carried out the model experimental researches of the stress-strain state of the infilled shells and have determined the strains in the shell body. 7 figures. 24 sources.
Key words: cylindrical shell; soil; stress-strain state; experimental researches.
Введение. В последние десятилетия в практике строительства всё более широкое применение находят экономичные комбинированные конструкции, способствующие наиболее эффективному использованию положительных свойств составляющих их материалов. Ярким примером является распространение проектных решений с применением заполненных оболочечных конструкций, в которых сочетаются свойства тонкой оболочки и удерживаемого ею наполнителя. Область практических задач, на решение которых могут быть направлены оболочечные конструкции с наполнителем, весьма широка. В машиностроении и энергетической отрасли это баки, цистерны, трубопроводы, корпуса ракет и др., в строительстве - каркасные трубчатые конструкции с наполнителем, обеспечивающим их местную устойчивость, массивные несущие конструкции, в которых эффективно сочета-
ется работа относительно дешёвого наполнителя, занимающего значительный объём всего сооружения, и оболочки, обеспечивающей удержание массива наполнителя в необходимом проектном положении.
Примерами таких сооружений могут быть:
- портовые гидротехнические сооружения из оболочек большого диаметра (причальные, оградительные, берегоукрепительные и др.) (рис. 1,а);
- несущие конструкции транспортных водопропускных сооружений, переездов, устоев мостов, подземных сооружений и т.п.;
- подпорные стены в промышленном, гражданском и транспортном строительстве из крупных и мелкоштучных заполненных грунтом оболочечных элементов (рис. 1,б);
- элементы в составе несущих каркасов зданий и сооружений (рис. 1,в), в конструкциях мостовых ферм
1Беккер Александр Тевьевич, доктор технических наук, директор Инженерной школы ДВФУ, e-mail: [email protected]
Bekker Alexander, Doctor of technical sciences, Director of Engineering School of Far Eastern Federal University, е-mail: abek-
2Цимбельман Никита Яковлевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, е-mail: [email protected]
Tsimbelman Nikita, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Hydraulic Engineering, Theory of
Buildings and Structures of Engineering School of Far Eastern Federal University, е-mail: [email protected]
3Селиверстов Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент, е-mail: [email protected]
Seliverstov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor, е-mail: [email protected]
4Чернова Татьяна Игоревна, аспирант, е-mail: [email protected]
Chernova Tatyana, Postgraduate, e-mail: [email protected]
и других стержневых сооружений из трубчатых элементов, заполненных бетоном («трубобетон»), песком («трубопесок») и другими материалами;
- устройство фундаментов зданий и сооружений, в которых оболочка служит для обеспечения прочности и устойчивости заполняющего её грунта основания, а также свайных фундаментов (рис. 1,г).
В гидротехническом и промышленном строительстве, как правило, речь идёт о замкнутых цилиндрических и конических (нулевой гауссовой кривизны) или тороидальных оболочках, выполненных из стали, железобетона и некоторых лёгких сплавов, современных однослойных и многослойных полимерных материалов (например, стеклопластика). В качестве заполнителя в основном используются грунт, бетон, иногда различные виды пенопласта. В перспективе возможно применение в качестве оболочки многослойных конструкций, состоящих из несущего слоя, стекла, защи-щённого от локальных повреждений поверхностным слоем металла [13], а также применение сложных комбинированных конструкций, в которых оболочка с наполнителем удерживает сердечник из группы свай, воспринимающих значительные технологические нагрузки на сооружение.
Основы теории оболочек были заложены в 40-х годах XX века и направлены на построение математического аппарата описания работы оболочки под нагрузкой (В.З.Власов, А.Л. Гольденвейзер, Н.А. Киль-чевский, А.И. Лурье, С.П. Тимошенко, Б.Н. Жемочкин и др.). Прикладные научные исследования, призванные адаптировать разработанные математические аппараты для построения методик расчёта сооружений, развивались следующими учёными: И.В. Фёдоровым и В.И. Титовой (1952), А.И. Калаевым (1956), Г. Шни-белли (1957), В.С. Кюмингом (1960), Н. Овесеном (1962), В.С. Христофоровым (1964), М.А. Ильгамовым, В.А. Ивановым, Б.В. Гулиным (1977), Г.Д. Хасхачих (1979), М. Сираси (1978), Токио Боэки и Кэнсецу Кикай Тёка (1981) и др. Значительное число авторов, изуча-
ВйРег-ч—
ющих взаимодействие оболочки с наполнителем, проводили эксперименты на моделях с целью уточнения расчётной схемы сооружения, в частности определения возможности плоского сдвига внутри заполнителя оболочки [1, 12, 14, 17,23 ,24].
В настоящее время для описания напряженно-деформированного состояния наполнителя используется модель упругого тела, трактующая наполнитель как однородную среду, для которой соблюдается линейная зависимость между напряжениями и деформациями.
Опыт применения в строительной отрасли оболочек, внутренней или внешней средой для которых является какой-либо наполнитель, формирует круг проблем, связанных с особенностями контактного взаимодействия оболочки и наполнителя, а также со сложностями при оптимизации передачи нагрузки от обо-лочечной конструкции на грунтовое основание:
- неравномерность передачи усилия от оболочки с наполнителем на основание (краевой эффект), концентрация напряжений в области контакта оболочки, наполнителя и грунтового основания;
- сложность описания напряженно-деформированного состояния системы «оболочка - упругий наполнитель» с учётом физико-механических свойств наполнителя, условий на контакте наполнителя с оболочкой и краевых эффектов;
- отсутствие автоматизированной комплексной методики расчёта оболочечных конструкций с упругим наполнителем;
- ограниченность набора конструктивных решений, позволяющих повысить эффективность работы наполнителя в составе конструкции в различных эксплуатационных условиях;
- необходимость разработки решений по технологии возведения оболочечных конструкций с упругим наполнителем для различных материалов и условий строительства.
Рис. 1. Область применения оболочечных конструкций в строительстве: а - оболочка большого диаметра; б - подпорная стенка из мелкоштучных, заполненных грунтом оболочечных элементов; в - пример фермы из стержней трубчатого сечения; г - свая-оболочка
Обозначенные вопросы являются следствием недостаточной изученности напряжённо-деформированного состояния оболочечных конструкций с упругим наполнителем как в натурных условиях, так и на моделях. Поэтому при проектировании оболочечных конструкций в настоящее время для исключения недопустимых деформаций предусматривают специальные конструктивные мероприятия, что приводит к увеличению стоимости строительства и способствует решению проблем только для узкого круга проектных задач. В связи с этим проблема исследования напряженно-деформированного состояния оболочек с упругим наполнителем остаётся актуальной.
Далее приведены некоторые направления исследования оболочечных конструкций с наполнителем, направленные на развитие методики их расчёта для различных условий эксплуатации.
Экспериментальные исследования устойчивости цилиндрических ячеек. Исследования оболочек как объекта гидротехнического строительства отражены в работах Н. Овесена, В.И. Титовой, В.И. Николау [23, 24] и с 1987 г. проводились на кафедре гидротехники Дальневосточного государственного технического университета (ДВПИ) им. В.В. Куйбышева под руководством А.Т. Беккера. Исследования были направлены на изучение напряжённо-деформированного состояния шпунтовых цилиндрических оболочек из плоского шпунта (ячеек) [2, 3].
Проведён ряд экспериментов, задача которых заключалась в получении зависимости деформации защемлённой в грунте оболочки с наполнителем от внешней горизонтальной нагрузки, а также в оценке влияния различных параметров сооружения на напряжённо-деформированное состояние оболочки. Изучалось влияние следующих факторов: условий закрепления верхнего торца оболочки, диаметра модели, величины заглубления оболочки в грунт основания. Модель шпунтовой оболочки представлена на рис. 2.
Обработка результатов экспериментов заключалась в получении абсолютных значений деформаций точек модели на каждой ступени нагружения, а также в статистической обработке результатов по стандартным методикам.
В результате изучено влияние диаметра, величины заглубления в основание и условий закрепления верхнего торца на работу оболочки, разработана методика расчёта деформаций цилиндрических стальных ячеек. Результаты отражены в работах А.Т. Беккера, В.И. Селивёрстова [2, 15, 24].
На основании полученных результатов предложен способ испытаний полых конструкций с заполнителем, на который получено авторское свидетельство на изобретение [24], а также методика расчёта деформаций цилиндрических стальных ячеек [15].
Рис. 2. Схема установки: 1 - грунтовый лоток; 2 - модель оболочки (ячейки); 3 - кольцо верхнего оголовка; 4 -нагрузочное устройство; 5 - пригрузка нагрузочного устройства; 6 - груз; 7 - рама крепления прогибомеров; 8 -
прогибомеры; 9 - индикаторы часового типа; 10 - пригрузка
Исследование деформационных свойств наполнителя. Другое направление исследований оболочечных конструкций - оценка влияния степени уплотнения наполнителя на устойчивость сооружения. Выполнена оценка влияния степени уплотнения наполнителя на устойчивость оболочечных конструкций. В конструкциях цилиндрических оболочек наполнитель обеспечивает жёсткость сооружения, а также совместную работу наполнителя и оболочки.
Проведены эксперименты для определения зависимости деформационных характеристик от физических свойств грунтов наполнителя оболочечных конструкций (экспериментальное определение модуля общей деформации Е0 в зависимости от плотности наполнителя р).
В качестве объекта исследования выбран песчаный грунт средней крупности. Исследования проводились на приборе компрессионного сжатия для определения модуля общей деформации [20]. Серии испытаний отличались друг от друга плотностью наполнителя, которая изменялась от 1.35 до 1.7 г/см3 [15]. По результатам проведённых испытаний в интервале
нормальных давлений 0.1+0.4 МПа при указанном изменении плотности наполнителя модуль общей деформации повышается в среднем вдвое (с 20.25 до 37.93 МПа) (рис. 3). Схожий анализ проведен и для других диапазонов нормальных давлений.
На основе результатов расчётов на плоский сдвиг и опрокидывание оболочки большого диаметра (диаметр й„. - 12 м, высота Н^. - 13.5 м, толщина стенки 0.2 м), взятой в качестве примера, были построены графики зависимости коэффициента запаса на плоский сдвиг (кпс.) (рис. 4) и коэффициента запаса на опрокидывание (квн.) (рис. 5) от плотности наполнителя.
Получены следующие результаты: для обозначенного диапазона увеличения плотности наполнителя коэффициент запаса при плоском сдвиге увеличивается в 1.13 раза (рис. 4), коэффициент запаса на врезание оболочки в грунт основания - в 1.1 раза (рис. 5). В результате установлено влияние степени уплотнения внутреннего наполнителя на устойчивость оболочечных конструкций при использовании песка в качестве наполнителя.
Рис. 3. График зависимости Ео от р в диапазоне давлений 0.1-0.4 МПа
Ряд1; 1,7; 2,13
Рис. 4. График зависимости коэффициента запаса при плоском сдвиге (кп.с.) от плотности наполнителя (р, г/см3)
X —|— Ряд1; 1,65; 1,22
.гг пТ и - Ряд1; 1,6; 1 1,2
с го (0 —^ .1 . 1 с ■117 Ряд1; 1,55;
I « р ^ <п 1,163 ■ 1 ' 1,17
О 5С П лотность грунта, р ,г/см I3
Рис. 5. График зависимости коэффициента запаса на врезание оболочки в грунт основания (кв.н.) от плотности
наполнителя (р ,г/см3)
Модельные экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния оболочек с наполнителем. На следующем этапе проведены модельные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния оболочек с наполнителем под действием горизонтальной нагрузки.
Цель эксперимента: анализ картины распределения напряжений в опорной зоне оболочки.
Проведён эксперимент, направленный на фиксацию картины распределения напряжений в стенке тонкой оболочки с внутренним наполнителем, установленной на жёстком недеформируемом основании (рис. 6). Для этого принято соответствие модели реальному сооружению и явлениям, происходящим в натурных условиях. Получены следующие габариты модели оболочки: диаметр 0.5 м, высота 0.725 м, толщина стенки оболочки 0.004 м, в качестве материала модели выбран пластик (модуль упругости материала определён согласно стандартным методикам [19, 20]). Параметры, изучаемые в ходе эксперимента: - напряжения в теле оболочки для выбранной
схемы предельного состояния;
- деформации модели (отклонение верха конструкции от вертикали, изменение геометрии поперечного и продольного сечения оболочки) во времени по мере роста нагрузки для каждого предельного состояния.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 6. Цилиндрическая оболочка (1) с жёстким оголовком по верхнему свободному торцу (2) жёстко закреплена на основании (3). Внутренний наполнитель - сухой песок (4), благодаря отсутствию связности принят в качестве модели наполнителя. Кронштейн (6) служит для крепления датчиков часового типа (5), которые позволяют фиксировать перемещения оболочки. Рама (7) с подвижным блоком (8) позволяет регулировать прикладываемую к оболочке нагрузку. Момент в опорном сечении оболочки получен приложением внецентренной нагрузки (горизонтальная сила к верхнему торцу-оголовку). Тензометрические датчики установлены в нижней опорной области оболочки для получения более точной картины распределения напряжений.
<шшшшш±т
Рис. 6. Схема установки: 1 - цилиндрическая оболочка; 2 - жёсткий оголовок; 3 - основание; 4 - наполнитель (песок); 5 - датчики часового типа; 6 -кронштейн; 7 - рама с подвижным блоком; 8 - подвижный блок
8
2
Для внецентренно нагруженной защемлённой в основании оболочки условно обозначены три зоны распределения напряжений: зона сжатия, нейтральная зона и зона растяжения. В работе выполнено сравнение экспериментальных данных для каждой зоны с результатами расчёта по конечно-элементной модели. Полученные экспериментально значения напряжений сравнивались с вычисленными в результате расчёта в ПК SCAD для принятой методики компьютерного моделирования. Напряжения сжатия, возникающие в зоне контакта тонкой оболочки с основанием, при проектировании оказывают определяющее влияние на принимаемые характеристики материала и параметры сечения, поскольку влияют на местную устойчивость конструкции. Поэтому в статье приведён анализ соответствия полученных напряжений только для сжатой зоны опорной части модели (рис. 7), при этом рассматривался участок нижней опорной зоны высотой 200 мм.
Установлено следующее соответствие картины распределения напряжений в теле оболочки при заданных условиях с расчётными данными:
- Напряжения по направляющей (Х): для заданных условий закрепления (жёсткая заделка) зона перехода радиальных напряжений в сжатой приопорной части от отрицательных к положительным значениям зафиксирована более широкой, чем полученная расчётом (рис. 7,б). Это обстоятельство может быть учтено при конструировании оболочек, условия опирания которых на основание смоделированы жёсткой заделкой (при назначении высоты усиливающих поясов и рёбер жёсткости). По величине зафиксированные напряжения близки к расчётным значениям.
- Напряжения по образующей (Y) для заданных условий закрепления (жёсткая заделка): в сжатой опорной зоне полоса достижения максимума сжимающих напряжений зафиксирована в 2 раза шире рас-
чётной (рис. 7,в). Расхождения могут быть объяснены моделированием при расчёте внутренней засыпки как внешней нагрузки (по Янсену) без учёта изменений условий взаимодействия оболочки и наполнителя при деформировании системы. Для растянутой зоны установлено соответствие экспериментальных и расчётных данных.
Заключение. Анализ исследований оболочечных конструкций показывает необходимость формирования общей методики расчёта, которая создала бы условия для широкого применения сооружений из оболочек с упругим наполнителем для устройства защитных сооружений (в гидротехническом строительстве), а также при решении задач вертикальной планировки местности (в промышленном, гражданском и транспортном строительстве). Теория расчёта должна основываться на анализе совместной работы оболочки с внутренним наполнителем, учитывать краевые эффекты и обеспечивать сохранение эксплуатационных качеств оболочечных конструкций при действии статических и динамических нагрузок.
Дальнейшие исследования планируется направить на разработку методики расчёта оболочечных конструкций с упругим наполнителем для нужд строительной отрасли.
Основные задачи исследований можно сформулировать следующим образом:
- разработать математическую модель описания взаимодействия оболочки с упругим наполнителем; выполнить трёхмерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния оболочки и упругой среды;
- провести экспериментальные исследования краевых эффектов в зонах опирания оболочек большого диаметра с упругим наполнителем на грунтовое основание с целью усовершенствования математической модели с учётом описания краевых эффектов;
а)
б)
ГРАНИЦА ПОЛЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СОГЛАСНО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ
Рис. 7. Экспериментальная установка: а - конструкция в загруженном состоянии; б - напряжения по направляющей Х; в - напряжения по образующей У
- разработать общую методику расчёта оболочеч-ных конструкций на основе анализа совместной работы оболочки с внутренним наполнителем и основания с учётом динамических воздействий и краевых эффектов;
- разработать оптимальные конструктивные решения оболочечных сооружений, наиболее эффективно
использующие материал наполнителя и оболочки;
- разработать основы технологии изготовления оболочечных конструкций с упругим наполнителем для различных областей применения;
- разработать методику оценки экономической эффективности предложенных конструкций.
Библиографический список
1. Амбарцумян С.А. Разномодульная теория упругости. М.: Наука, 1982.
2. Беккер А.Т., Селиверстов В.И. К расчету ячеистых конструкций морских гидротехнических сооружений // Гидротехнические сооружения. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1981. С.48-52.
3. Варвак А.П. Влияние упругого заполнителя на устойчивость цилиндрической оболочки (осесимметричная задача) // Труды VI Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластинок. М.: Наука, 1966.
4. Варвак А.П., Степаненко A.C. Устойчивость цилиндрической оболочки с вязко-упругим заполнителем // Прикладная механика. 1968. Т.4, вып.6.
5. Власов В.В., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. М.: Физматгиз, 1960.
6. Власов В.В. Устойчивость цилиндрических оболочек с заполнителем при осевом сжатии и внешнем давлении // Прикладная механика. 1971. №8, вып.7.
7. Власов В.В. К вопросу об устойчивости оболочек из композитных материалов, скреплённых с упругим заполнителем // Механика полимеров. 1973. №3.
8. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложение в технике. М.: Гостехиздат, 1949.
9. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976.
10. Гольдштейн М.Н., Царьков А.А., Черкасов И.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Транспорт, 1981.
11. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Расчёт оболочек с упругим заполнителем. М.: Наука, 1987.
12. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпром-гиз, 1962.
13. Пикуль В.В. Механика оболочек. Владивосток: Даль-наука, 2009.
14. Попова А.В., Цимбельман Н.Я., Проценко В.В. Влияние плотности наполнителя на устойчивость оболочечных кон-
струкций // Сборник научных трудов SWORLD по материалам международной научно-практической конференции. Одесса, 2011.
15. Селивёрстов В.И. Методика расчёта деформаций цилиндрических стальных ячеек гидротехнических сооружений: дис. ...канд. техн. наук. Владивосток, 1987.
16. Филатов Д.Г. Основы расчёта и конструирования коротких трубопесчаных стоек: дис. . канд. техн. наук. Владивосток, 2002.
17. Филин А.П. Элементы теории оболочек. Л.: Стройиздат, 1975.
18. Цимбельман Н.Я. и др. Анализ напряжённо-деформированного состояния оболочечных конструкций с наполнителем // Труды ISOPE- PACOMS 2012. Владивосток (ISBN 978-1-880653-79-1, ISSN 1946-004X).
19. Чернова Т.И., Цимбельман Н.Я. Модельные исследования напряжённо-деформированного состояния оболочек большого диаметра с наполнителем // Вестник МГСУ (12/ISSN 1997-0935). М., 2012. 295 с.
20. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стройиздат, 1997.
21. Руководство по расчёту морских гидротехнических сооружений из оболочек большого диаметра РТМ 31.3013-77. М.: ЦРИА «Морфлот», 1978.
22. Nicolau V.I. The study of the berthing of the shells fell a large diameter. Odessa, 1966.
23. Ovesen N.K. Cellular cofferdams, calculation methods and model tests. Bulletin 14, Danish Geotechnical Institute. Cjpenhagen, Denmark, 1962.
24. Беккер А.Т., Селиверстов В.И. Способ испытаний полых конструкций с заполнителем: авторское свидетельство 1323903 (СССР) № 4015560/29-33. Опубл. 13.12.85. Бюл. № 26.
УДК 69 658.5 574
К ВОПРОСУ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ ОРГАНИЗАЦИОННО-УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ
© С.Н. Глызин1, В.Г. Судникович2
Иркутский государственный технический университет, Институт архитектуры и строительства, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проводится анализ системы принятия организационно-управленческих решений при проектировании и строительстве промышленных объектов ВСЖД на станции Иркутск-Пассажирский («Терминально-складской комплекс» и «Техническая станция для обслуживания пассажирских вагонов») для минимизации экологических рисков. Тер-
1Глызин Сергей Николаевич, магистрант, тел.: (3952) 405138, 89021776730. Glyzin Sergey, Graduate Student, tel.: (3952) 405138, 89021776730.
2Судникович Вера Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405142, 89025610609.
Sudnikovich Vera, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405142, 89025610609.
