Научная статья на тему 'Расчет двухпролетной неразрезной балки с выключающейся связью'

Расчет двухпролетной неразрезной балки с выключающейся связью Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
513
214
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ / FREE VIBRATION / ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ / FORCED VIBRATION / ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ СИЛЫ / EQUIVALENT STATIC LOADS / ВЫКЛЮЧАЮЩАЯСЯ СВЯЗЬ / ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ ОБРУШЕНИЕ / PROGRESSIVE COLLAPSE / DISABLED CONSTRAINTS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Петров Иван Александрович

Подробно рассмотрен расчет двухпролетной неразрезной балки с распределенной массой с выключающейся связью. Рассмотрены два примера: выключение связи в системе, находящейся в положении статического равновесия, и в системе, совершающей вынужденные колебания. Приведены формулы для определения перемещений и эквивалентных статических сил, с помощью которых определяется напряженно-деформированное состояние в системе после выключения связи.

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.

Analysis of a continuous double-s pan beam that has disabled constraints

The objective of this article is to present the analysis of a double-span beam that has disabled constraints, including its analysis in the state of static equilibrium and in the event of forced vibrations. Hereinafter, the original system is entitled System 1, while the system that has disabled constraints is System 2. The analysis is performed in furtherance of the following pattern. First, System 1 static analysis and System 2 static and dynamic properties analysis is executed. Later, we calculate the deflection and the internal force of System 2 as the consequence of disabled constraints. By comparing the process of static equilibrium of System 2 and the process of free vibrations of System 2, we identify that the moment of flexion in the mid-span increases by 85 %, while the support moment increases by 66 %. The analysis of the system that has disabled constraints in the process of forced vibrations is the same as the analysis demonstrated hereinbefore, except that the initial condition is calculated differently. By disabling constraints, we can both reduce and increase the peak values of displacement of the system in the process of forced vibrations. This research proves that the proposed method can be used to calculate defl ection and the internal force of static and dynamic systems having disabled constraints. That can be very important in evaluation of the safety of structures after destruction of their individual elements.

Текст научной работы на тему «Расчет двухпролетной неразрезной балки с выключающейся связью»

ВЕСТНИК 9/2012

УДК 624.072.2

И.А. Петров

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

РАСЧЕТ ДВУХПРОЛЕТНОЙ НЕРАЗРЕЗНОЙ БАЛКИ С ВЫКЛЮЧАЮЩЕЙСЯ СВЯЗЬЮ

Подробно рассмотрен расчет двухпролетной неразрезной балки с распределенной массой с выключающейся связью. Рассмотрены два примера: выключение связи в системе, находящейся в положении статического равновесия, и в системе, совершающей вынужденные колебания. Приведены формулы для определения перемещений и эквивалентных статических сил, с помощью которых определяется напряженно-деформированное состояние в системе после выключения связи.

Ключевые слова: свободные колебания, вынужденные колебания, эквивалентные статические силы, выключающаяся связь, прогрессирующее обрушение.

Выводы формул, теоретическое обоснование, на которых основан алгоритм и выполнен пример расчета в данной статье, даны в [1, 2].

I. В качестве первого примера рассмотрим расчет системы, находящейся в положении статического равновесия, с выключающейся связью.

Общая схема расчета: рассматриваются последовательно две системы — до и после выключения связей; результат выключения связей — возбуждение свободных колебаний в системе; начальные условия (начальные смещения), определяющие свободные колебания, вычисляются из статических расчетов системы со связью (система 1) и системы без связи (система 2). Эквивалентные статические силы вычисляются по формулам, приведенным в [2]. Определяется напряженно-деформированное состояние системы без связи. Схема алгоритма:

1. Система с распределенной массой редуцируется системой с конечным числом степеней свободы.

2. Выполняется статический расчет систем 1 и 2 МКЭ. Записываются начальные условия, определяющие свободные колебания.

3. Система 2 рассчитывается на свободные колебания МКЭ. Определяются перемещения масс в главных координатах.

4. Вычисляются эквивалентные статические силы и напряженно-деформированное состояние системы 2.

Исходные данные. Рассматривается двухпролетная неразрезная балка (рис. 1, а) с жесткими закреплениями на концах. Выключающаяся связь в середине пролета балки (рис. 1, б). Поперечное сечение балки — двутавр 30Б1, с характеристиками А = 41,9210-4 м2, Е1 = 1329,27т м2.

д = 1 т/м д = 1 т/м

Рис. 1. Система 1 (а), система 2 (б)

Решение. 1. Распределенная масса редуцируется точечными массами. В результате получены расчетные схемы системы до и после выключения связи (рис. 2).

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве ВЕСТНИК

_МГСУ

0,75 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 0,75 m 0,75 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 1,5 m 0,75 m

41111111^ zj/lllllllk

* 1500x4=6000 ^ 1500x4=6000 f J, 1500x4=6000 } 1500x4=6000 | а б

Рис. 2. Расчетные схемы системы 1 (а) и системы 2 (б)

Для иллюстрации адекватности системы с точечными массами сравнивались эпюры моментов при статическом приложении нагрузки системы 1 (рис. 3, а, б) и системы 2 (рис. 3, в, г).

3 3 3 12 12

2,8125 ^2,8125 2,8125 J1,8125

2,8125. J1,8125 11,8125,

6,1875

"ULJ-UJJJ1111111 lil 1111 LLLLLu^ ■

11,8125^

Рис. 3. Эпюры моментов. Единицы измерения — тм

В результате редуцирования погрешность значения эпюры моментов системы 1 в пролете А = (1,6875 -1,5)/1,5 = 12,5 %, на опорах А = 6,3 % ; системы 2 — в пролете А = 3,1 %, на опорах А = 1,6 %. На основании результатов сравнения возможно считать, что распределенная масса заменена точечными массами с достаточной степенью приближения.

2. Выполняется статический расчет МКЭ системы 1 (см. рис. 2, а) и системы 2 (см. рис. 2, б). На основании результатов расчета записываются векторы, отображ а-ющие перемещения масс в положении статического равновесия системы 1 — и системы 2 — (рис. 4).

^ = {{1,42}, {2,53}, {1,42}, {0}, {1,42}, {2,53}, {1,42 }}мм,

= {{7,77},{22,85},{35,71},{40,63},{35,71},{22,85},{7,77}}г мм.

1,5 m

1,5 m

1,5 m

1,5 m

1,5 m 1,5 m

1,5 m

Рис. 4. Перемещения масс в системе 1 и системе 2

Вектор = ¡1 - ¡2 определяет начальные условия (перемещения) и, соответственно, характер свободных колебаний в системе после выключ ения связи (см. рис. 4). Если 2-у - 22 , т.е. выключения связи не происходит, вектор А2ст = 0 — свободные колебания в системе не возбуждаются.

_. -r f{-6,34}, {-20,31}, {-34,28}, {-40,63}, {-34,28}, 1

Az = z1 - z2 = <| мм.

ст 1 2 [{-20,31}, {-6,34} )

(1)

3. Расчет системы 2 (рис. 2, б) на свободные колебания МКЭ производится в любом программном комплексе (в данном случае ПК SCAD [3]), в результате которого вычисляются собственные частоты и формы системы без связи.

ВЕСТНИК 9/2012

Матрица собственных форм Ф [4—6], столбцами которой являются векторы собственных форм, имеет вид

ф={{Y}, {Y2}, {Y}, {}, {Y}, {Y6}, {}}. (2)

Удобно воспользоваться свойствами нормированных форм. Постоянный нормирующий множитель вычисляется по формуле

N =JimY2, (3)

где r — номер формы (частоты) собственных колебаний; j — номер точечной массы; n — количество масс (в данном расчете n = 7).

Нормированные векторы собственных форм и матрица нормированных собственных фо рм определяются из выражений

W = N- , ФN = {}, {{*}, {^}, {^}, {°f}, {°f}}. (4)

Индексы N далее опускаем. Ортогональность и нормирование собственных форм проверяется по формуле ФТМФ = E, где E — единичная матрица.

Вычислив вектор начальных перемещений масс системы (рис. 2, б) в главных коордо натах

= ФГМ Д7Т = {(-0,0857}, {0}, (0,0025}, {0}, (0,0005}, {0}, (0,0002}}г м, (5)

запишем уравнения движения масс системы 2:

агсв (t ) = e~"r'a0r C0s (p'rt) + ""Г sin (p'rt)

Pr

где у — коэффициент внутреннего трения (для данного расчета у = 0,15); p* — собственная частота с учетом трения; r = 1, 2, ... n — номер собственной формы (частоты).

4. Формулы для нахождения вектора эквивалентных статических сил и вектора перемещений масс приведены в [2]

s(t)=мФл^в(t), г(t)=ф^в(t), (7)

где Л — диагональная матрица, на главной диагонали которой квадраты собственных частот.

Величины эквивалентных статических сил вычисляются в момент максимального прогиба балки. Этому моменту соответствует половина пе ооо го периода колебаний: tpaC4 = п/p*1 = 0,178 с. График перемещений 52дин (t) = Фасв (t) + z2 приведен на рис. 5 [7]. На графике момент времени t = 0 — время выключения связи. Вектор ^2дин (t) показывает перемещение каждой^ массы относительно своего положения равновесия, т.е. относительно положения z2 (см. рис. 4).

Результаты расчета. Вектор эквивалентных статических сил вычисляется из выражения (7) при t = tpac4

=Yf, p'r=v pr - nr, (6)

S (tpac4) = {{0,154},{0,631},{1,303},{1,725},{1,303},{0,631},{0,154}}T

т.

Эпюра моментов от действия вычисленных эквивалентных статических сил и имеющейся статической нагрузки построена на рис. 7, а. Для сравнения приведена эпюра моментов (рис. 7, б), построенная по расчетной схеме, в соответствии с которой выключающаяся связь учитывается добавлением нагрузки, равной удвоенной реакции в выключающейся связи. Подобный подход используется в [8].

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве

ВЕСТНИК

-МГСУ

N 40 г.

0 0.178

t, с

Рис. 5. График колебаний масс в системе относительно положения 2г

На рис. 6 приведен график изменения значений момента на опорах и в пролете при действии эквивалентных статических сил (как функций от времени) (7) и имеющейся статической нагрузки.

12

0 0.178

t, с

Рис. 6. Изменение значений момента на опорах и в пролете

II. В качестве второго примера рассмотрим расчет этой же системы при выключении связи в процессе колебаний.

Общая схема расчета точно такая же, как и общая схема расчета из примера I, за исключением начальных условий для 2-й системы: начальное смещение — сумма

ВЕСТНИК

9/2012

Лzст и динамического перемещения системы 1 в момент выключения связей, начальная скорость — скорость системы 1 в момент выключения связей.

19,69 ,

0,15 т 0,63 т 1,30 т 1,72 т 1,30 т 0,63 т 0,15 т ^

0,75 т

1,5 т 1,5 т

г 11,47

0,75 т

29,80

0,75

12 т 1,5 т

29,80 ,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1,5 т 1,5 т

0,75 т

Рис. 7. Эпюры моментов, единицы измерения — тм

Начальные условия для 2-й системы (после выключения связей) определялись по формулам

¿20 = ¿1 (*0)- Лст ' ¿20 = ¿1 ('X (8)

где t0 — время выключения связей; Лгст определена по формуле (1).

¿1 (') = Ф1 а1 ('), ¿1 (') = Ф1 а (') — уравнения движения и скоростей м асс системы 1;

где Ф1 — нормированная матрица собственных форм системы 1 (4); а1 ^) — уравнения движения масс системы 1 в главных координатах.

Решение уравнения движения системы 2 — это сумма решений уравнений движения вынужденных колебаний (при действии внешней динамической нагрузки) и свободных колебаний (при выключении связей):

а2 - (') = а2 гв(') + а2 гсв('). (9)

Уравнения вынужденных колебаний в главных координатах:

а2„(0 = \ЬГ (т)Уг (рг, ' - т) сСт = ('), (10)

0 1=0

где Хгг — ¡-й элемент вектора г-й нормированной формы системы 2.

• = }<?,-(т)Уг (Я, ' - т) Ск Уг = -1 е--' 8т(р»,

где Г = Л в"- з1п(р>) — импульсная переходная функция для г-й формы колеба-

Р*

ний; ^ (t) — внешняя динамическая нагрузка, приложенная в ¡-й массе; р* — собственная частота системы 2 с учетом трения (6).

Уравнения свободных колебаний в главных координатах:

а, (') = е -^

а,«- ссз(р'х) + 8;п(р )

(11)

где а20г, аа20г — начальное отклонение и скорость системы 2 в главных координатах,

которые определяются из выражений а20 = Ф2ТМ2 ¿20, а&20 = Ф2ТМ2 ¿20.

Перемещения и эквивалентные статические силы системы 2 вычисляются по формулам

а

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве ВЕСТНИК

_МГСУ

(7) = Ф2 а2 (г), S2 = М2Ф2Л2 а2 (/). (12)

Рассматривалась балка, на которой установлено оборудование с гармоническими нагрузками, и оценивалось влияние времени выключения связи (и величины перемещений в этот момент). При расчете принималось (рис. 8): #(г) = Q0 б1п(ю г), Q0 = 1,5 т— амплитуда внешней нагрузки, ю = 62рад / с — частота внешней нагрузки.

Рис. 8. Расчетные схемы системы 1 (а) и системы 2 (б).

Влияние выключения связи оценивалось в момент нахождения масс системы 1 в крайнем нижнем при г = 0,946 с (рис. 9) и в крайнем верхнем положении при г = 0,996 с (рис. 10).

о

10 20

30

N 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5

г, с

Рис. 9. График колебаний масс в системе с выключением связи при г = 0,946 с

Свободные колебания после выключения связи возбуждаются также при нулевом перемещении в начальной системе (системе 1) и максимальной скорости в мо -мент выключения связи.

Выводы. Приведенный алгоритм, по нашему мнению, является обоснованным и достаточно простым. Существенно, что при расчете могут быть использованы какие-либо из многочисленных программных комплексов МКЭ.

Выключение связи в системе, находящейся в положении статического равновесия, дает увеличение значения момента в пролете в 1,65 раза и на опорах в 1,85 раз по сравнению с системой без связи, находящейся в положении статического равновесия (см. рис. 2, б, 3, г и 7, а). По сравнению с одной из ранее применяемых методик (см. рис. 7, б) приведенный расчет дает существенное уточнение.

В системе, совершающей вынужденные колебания, выключение связи может как уменьшать пиковые значения перемещений (см. рис. 5 и 9), так и увеличивать (см. рис. 5 и 10). Это зависит от фазы внешней динамической нагрузки в момент выключения связи.

0.946

ВЕСТНИК

О

10

20

N 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5

t, с

Рис. 10. График колебаний масс в системе с выключением связи при t = 0,996 с

Использование приведенного алгоритма для расчета систем с выключающимися связями не представляет особой сложности: алгоритм основан на результатах расчетов МКЭ по одному из многочисленных программных комплексов. Полученные значения вводятся как исходные данные в программу, написанную в системе компьютерной математики.

Библиографический список

1. Чернов Ю.Т. К расчету систем с выключающимися связями // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 4. С. 53—57. Режим доступа: http://elibrary.ru. Дата обращения: 18.06.12.

2. ЧерновЮ.Т., ПетровИ.А. К определению эквивалентных статических сил при расчете систем с выключающимися связями // Вестник МГСУ 2012. № 4. С. 98—101. Режим доступа: http://vestnikmgsu.ru. Дата обращения: 18.06.12.

3. Вычислительный комплекс SCAD / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А. Маляренко и др. М. : Изд-во АСВ, 2008. 592 с.

4. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Универ У. Колебания в инженерном деле. М. : Машиностроение, 1985. 472 с.

5. Дарков А.В., ШапошниковН.Н. Строительная механика. М. : Высш. шк., 1986. 607 с.

6. Чернов Ю.Т. Вибрации строительных конструкций. М. : Изд-во АСВ, 2011. 382 с.

7. Salvatore Mangano. Mathematica Cookbook. O'Reilly Media, 2010. 830 p.

8. Перельмутер А.В., Криксунов Э.З., Мосина Н.В. Реализация расчета монолитных жилых зданий на прогрессирующее (лавинообразное) обрушение в среде вычислительного комплекса «SCAD Office» // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 2. С. 13—18. Режим доступа: http:// engstroy.spb.ru. Дата обращения: 18.06.12.

Поступила в редакцию в июле 2012 г.

Об авторе: Петров Иван Александрович — аспирант кафедры строительной механики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].

Для цитирования: Петров И.А. Расчет двухпролетной неразрезной балки с выключающейся связью // Вестник МГСУ 2012. № 9. С. 148—155.

9/2012

0.996

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.