Научная статья на тему 'К вопросу об учете диссипации энергии при оценке устойчивости конструкции'

К вопросу об учете диссипации энергии при оценке устойчивости конструкции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
118
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «К вопросу об учете диссипации энергии при оценке устойчивости конструкции»

Расчет строительных конструкций

К ВОПРОСУ ОБ УЧЕТЕ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКЦИИ

В.М. БОНДАРЕНКО, акад. РААСН, д-р техн. наук, профессор Московский институт коммунального хозяйства и строительства

Решение сформулированной в названии статьи задаче предпочтительно искать энергетическими методами; в частности, с помощью энергетического анализа (например, на базе предложений Ритца-Тимошенко [1], модифицируемых применительно к учету диссипации энергии при силовом деформировании кон-

лw»t wmi® ut tv »хототю гтло TO ^ ^

V 1 IV X ГШ11ША IHUlvpilMIWi» j J •

В качестве исходных приняты следующие посылки: -констатируется аффинность развития процессов деформирования и процессов энергообмена для любой часта конструкции;

- предполагается одновременность накопления и рассеивания энергии при силовом деформировании материалов [3];

-используется квазилинейная постановка задач силового деформирования конструктивных материалов [4]2;

-признается равенство начального модуля деформаций при нагрузке и разгрузке [5].

Применительно к статическому неубывающему нагружению сжатием уравнение силового сопротивления материалов записывается в виде:

е(и0) = 8°[а(1)]а(()/Елвр«,10), (1)

1 .+с0(мН/М|-с0(моУг

гДе £л,в/,('Л) =

(2)

v Г *

Здесь Елвр (/, /0 ) - линейный (начальный) временный модуль деформаций H.H. Буданова - С.Е.Фрайфельда; e(t,t0)~ полная относительная деформация, накопленная за время (/„ -t); cr(t) - напряжения сжатия в момент времени t; t0,r,t- начало отсчета времени, текущее время,/ - время окончания отсчета; Ейм {¿) - начальный модуль мгновенной деформации к времени t;C°(t0 г) - начальная мера простой ползучести [6]; 5,0[<т(/)] - единая функция нелинейности при нагружении. Заметим, что при разгружении

ИОН. (3)

С учетом изложенного диаграмма одноциклового нагружения-разгружения имеет вид (рис.1). На рис.1 знак-> соответствует нагружению, знак <— разгру-жению,£об - обратимая часть полных деформаций; еноб- необратимая часть полных деформаций; площадь фигуры оас - полная энергия деформирования единичного объема материала W\ площадь фигуры оав- диссипированная часть энергии деформирования (площадь петли гистерезиса А W) единичного объема материала; площадь фигуры авс - сохранившаяся часть полной энергии деформирования (потенциал отпорности W-AW); линии а00 и ав параллельны.

1 Геометрическая неизменяемость сооружений считается обеспеченной

2 Применение ограничивается областью энтропийного деформирования материала и не распространяется не область лавинного деформирования [6]

Анализ диаграммы рис. 1 приводит к следующим соотношениям: Коо=еоб/етз^/яЧст^/Д) коэффициент обратимости деформаций,

Область энтропийного Область лавинного деформирования деформирования

Г- *-/

°тах ишах

ТГ= }<ж1е = етахатах - /аЛг,(5)

Фоб =^2обЕлвр-, Шоб

АШ = IV - IV,

об

(6)

где Ч> = АЯ'/П' (7)

- коэффициент поглощения энергии [2], откуда

£ов =рФоб/Ел<вр , (8)

1 |2Г

об

шах

Рис. 1. Диаграмма о - £ при одноцикловом нафужении-разфужении к моменту времени /

(9)

®тах У ^л,вр

Значения действующих а целесообразно предварительно, с последующим уточнением, оценивать обычным расчетом на прочность и значений критической силы. В связи с этим, очевидно, что развитие вносимых предложений потребует учета изменчивости Коб по координатам пространства. Привлекая критерии полной потенциальной энергии [1]

Э = и~А, (10) где АЯГ^а (11)

- потенциальная энергия внутренних сил отпорности,

А = РАИ (12)

- работа внешней продольной силы Р на перемещениях Д/г, вызванных переходом сжимаемого тела (стержня) в деформированное положение равновесия.

Далее, из условия полной потенциальной энергии (1 (^соответствующего устойчивому состоянию равновесия, находим искомую критическую силу Рпр, устанавливаемую с учетом диссипации энергии

дЭ/д<р = 0, (13) д2Э/д<р2= 0, (14)

где (р - переменный аргумент функции очертания стержня, удовлетворяющего

граничным условиям

у(х) = Ха,<р,(х)

(15)

(=1

или для первой основной формы деформирования у(х) = а<р(х). (16)

Далее, используя равенство площади фигур оаосо и <?о/С/, записываем потенциальную энергию внутренних сил для стержня

07)

о ¿Щх) о ^ где М- изгибающий момент, £>- изгибная жесткость стержня,

и работу внешних сил Р

А = Р\с1{ДИ),

(18)

где с1{АИ) - величина сближения концов дуги стержня за счет его изгиба

= (19)

при ds = ^l + (y)2dx - дифференциал дуги (20)

или по [1] d(Ah) = [ l--J\ + (y)2 \h*--(y)2dx (21)

Наконец, подставляя (4) (17), (18), (21) в (10), получим

\D{xm2 -^-{yfdx = 0, (22)

0 "-об

откуда искомое значение критической силы, вычисленной с учетом диссипации энергии при деформировании Ркр - К^Р^, (23)

где Рэйл - классическое эйлерово значение критической силы.

Иллюстративно, приведем численные значения /v0g для трех разных конструкций, изготовленных из бетонов В12,5; В30; В 60, вычисленных по [7]:

= 1 J-V(rrllf\m (гти п, ~ А\ ПА\

Таблица К^

Зоны деформирования Класс бетона 12,5 30 60

Параметр V 3,4 1,5 0,9

a/R Значение Коб

Устойчивое 0,0 1,0 1,0 1,0

0,2 0,995 0,997 0,998

0,4 0,920 0,960 0,975

0,6 0,700 0,840 0,900

0,8 0,420 0,620 0,730

Лавинное 1,0 0,230 0,400 0,530

Примечание: Значения Коб относящиеся к зоне лавинного деформирования условны, т.к. исходят из (24), которое относится к устойчивому деформированию; они в расчетах не применимы.

Для железобетонных конструкций (колонн и т.п.) требуется, используя условие равновесия, совместных деформаций и уравнения силового сопротивления материалов (т.н. физические уравнения силового состояния материалов), вычислить средние значения f^ и еоб, единый коэффициент обратимости (4). Это позволяет количественно оценить влияние диссипации энергии на устойчивость конструкции (23).

Литература

Х.Леонтьев H.H., Соболев Д.Н., Амосов A.A. Основы строительной механики стержневых систем. - М.: изд. АСВ, Москва, 1990.

2. Бондаренко В.М. Диссипация энергии при цикловом нагружении железобетонных конструкций и её влияние на их силовое сопротивление// Строительная механика и расчет сооружений. - 2008. - №3.

3. Бондаренко В.М. Диссипация энергии при силовом деформировании как фактор повышения живучести сооружений// Академия. Архитектура и строительство. - №4. -2008.

4. Бондаренко C.B., Санжаровский P.C. Усиление железобетонных конструкций при реконструкции зданий. - М.: Стройиздат, 1990.

5. Бондаренко В.М., Боровских A.B. Износ, повреждения и безопасность сооружений. - РААСН, Москва, 2000.

6. Бондаренко В.М., Карпенко Н.И. Уровень напряженного состояния как фактор структурных изменений и реологического силового сопротивления бетона// Академия, Строительство и архитектура. - Москва. - 2007. - №4.

7. Рекомендации по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций. НИИЖБ Госстроя СССР, Стройиздат, Москва, 1988.

40

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.