Библиографическое описание:

Арискин М. В., Гуляев Д. В., Агеева И. Ю. Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых карнизных узлов рам // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 19-25.


В настоящее время потребность в деревянных строительных конструкциях возрастает ежегодно. Значит, выбор наиболее оптимальных и экономически выгодных конструктивных схем является наиболее перспективных областей исследований в области деревянных конструкций. В настоящей статье будут рассматриваться гнуто карнизные узлы деревянных рам. Неблагоприятные условия в карнизном узле возникают в раме с трехшарнирным закреплением, поэтому для дальнейшего исследования выберем ее.

Методика построения конечно элементной модели

Схема была разбита вручную МКЭ в виде пластин. Для достижения более лучшей картины напряжений разработана сетка конечных элементов с шагом 0.1 метр. Конструкции гнутого узла, ригеля и стойки разрабатывались отдельно друг от друга.

Последовательность разбивки гнутого узла

  1. По внешнему и внутреннему контуру радиуса узла были размещены точки с шагом 0.1 м (рис.1)

  2. От точек внешнего контура рамы проводились прямые к точке построения радиуса (АО, ВО, СО и т. д.) и на пересечении этих элементов и элементов внутреннего контура отмечались точки пересечения(1,2,3,4, и т. д.).

  3. В зависимости от высоты сечения, элемент по высоте разбивался на определенное количество точек с шагом 0.1 м.

  4. На полученном поле точек с помощью функции «добавление пластины» строились элементы по четырем точкам.

Рис. 1. Последовательность моделирования узла


Площадь элементов уменьшается к точке построения радиуса.

Такая схема расположения пластин в пространстве была разработана и принята вследствие более точных результатов, правильной ориентации элементов, отсутствия элементов и нежелательных сопряжений дающих нечеткую картину исследуемых результатов.

Рис. 2. а) Ручная разбивка сетки б) Автоматическая разбивкаSCAD.


Последовательность разбивки ригеля:

  1. После построения узла, в зависимости от количества горизонтальных точек верха ригеля, на такое же разбивается нижняя.

  2. С помощью функции «задание контура» обозначается контур через четыре точки, из них две ближайшие верхние и соответствующие им нижние.

  3. Производится разбивка контура на пластины. Задается шаг разбивки 0.1 м. Действие повторяется несколько раз.

Таким образом избегается перепад напряжений, появление нежелательных сопряжений и элементов других конфигураций. Улучшается эстетический вид.


Рис. 3. Последовательность моделирования ригеля


Граничные условия

Для реализации расчетной схемы в М. К. Э. необходимо было правильно задать условия, что становится проблематичным, так как рассчитываемая модель становится не стержневой, а плоской. В связи с этим был разработан шарнирный узел для пластинчатого конечного элемента.

Последовательность разработки:

  1. От середины нижней части рамы была удаленна точка на 0,3 м. В ней были запрещены перемещения в направлениях Х YZ.

  2. В крайней точке справа запрещены перемещения в направлении Х

  3. с помощью команды «объединение перемещений» перемещения по направлениям Х YZUxUzUy в нижних точках рамы, и точки удаленной от рамы совмещаются, как показано на Рис.4

  4. В верхней части моделируется шарнир, задаются ограничения в серединной точке по направлениям Х YUxUy. Точка показана на Рис.5


Рис. 4. Шарнирное закрепление рамы в нижней части

Рис. 5 .Шарнирное закрепление рамы в верхней части.


Все внутренние напряжения в каждом пластинчатом конечном элементе были выровнены по направлению вдоль волокон древесины, что предоставляет реальную картину происходящих процессов в исследуемой раме.

Рис. 6. Схема выдачи внутренних напряжений

Рис. 7 Общий вид рамы разбитой на конечные элементы


Исходные данные для расчетов

Параметры образцов, подвергаемых теоретическому расчету, назначались исходя из поставленных целей исследования. Изменчивыми параметрами являлись:

  • радиус гнутья рамы, r

  • высота сечения рамы h.

Не изменяемыми параметрами являлись:

  • ширина пролета рамы 18 м;

  • толщина балок -δ

Расчет производился при действии на образец силы равной q=1 т/м.

Было принято несколько видов образцов рамы, размеры которых описаны в табл.1.

Таблица 1

Основные характеристики образцов

Обозначение

r-радиус гнутой части (м)

h-высота сечения (мм)

ДГКР-1,5–1040

1,5

1040

ДГКР-2–1040

2

1040

ДГКР-2,5–1040

2,5

1040

ДГКР-3–990

3

990

ДГКР-3–1040

3

1040

ДГКР-3–1150

3

1150

ДГКР-3–1240

3

1240

ДГКР-3–1330

3

1330

ДГКР-3,5–1040

3,5

1040

ДГКР-4–1040

4

1040

ДГКР-4,5–1040

4,5

1040


Результаты расчета исследуемых рам представленны в научно-исследовательской работе Сащенко Е. О. [2]

Сравнение результатов с экспериментальными исследованиями

Цель сравнения данных

Целью исследований является подтвердить целесообразность выбора модели построенной рамы и точность получаемых результатов. Для этого было принято использовать на ранее проведенные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния клееных рам и выявление их несущей способности при статических нагрузках, описанных в диссертации Табунова С. Ю. [1]

Разработка и моделирование проведенного эксперимента

В программном комплексе SCAD были смоделированы две рамы с помощью принятой методике разбивки на конечные элементы, они же для экспериментальных исследований были изготовлены в диссертации. Рамы серии — пролетом 5 м моделировались по геометрической схеме с уклоном ригеля, принятым в типовых проектах (1:4), и с уклоном, принятым на основе предварительных технико-экономических расчетов. Размеры поперечных сечений назначались из расчета рам без учета дополнительного момента от нормальной силы. Расчетная нагрузка определялась из условия прочности по краевым напряжениям в карнизном узле и на скалывание у опоры. Основные размеры экспериментальной рамы [1] приведены в таблица 1. Схема испытательной установки и назначение модели рамы приведены на рис. 8, 9. Результаты эксперимента приведены на рис.10 и 11.

Рис. 8. Схема испытательной установки и расстановки приборов в раме [4]. П1-Прогибомеры типа 6ПАО; T — тензометры Н. Н. Аистова; индикаторы часового типа; 5–5 — сечения (оснащенные тензорезисторами)

Рис. 9. Схема расчетной модели рамы построенной в Программном комплексе SCAD 11.3


Анализ результатов

Рис. 10. Экспериментальные кривые перемещений осей рам серии ДГРП-5–1- при нормативной нагрузке: а) симметричная по данным Табунова С. Ю. [4]; б) по расчету в SCAD 11.3


Анализ результатов

Анализируя полученные результаты, следует отметить, что нормальные (тангенциальные) напряжения меняют свою форму от линейной в прямолинейных и переходных участках до близкой к гиперболической (с незначительным искажением в виде вогнутости вблизи растянутой кромки) в зоне биссектрисы. Такой характер отклонения в растянутой зоне объясняется влиянием анизотропии. Распределение касательных напряжений так же имеет специфический характер. Если в прямолинейном участке (сечение 9) эпюра имеет симметричную параболическую форму, то в переходном участке очертание эпюры изменяется, появляется асимметричность с местным увеличением вблизи растянутых кромок. Максимальные значения касательных напряжений смещаются в сторону сжатой зоны.

Выводы

  1. Практика отечественного и зарубежного строительства показала экономическую и техническую целесообразность применения клееных деревянных рам в качестве несущего каркаса в зданиях общественного, спортивного, промышленного и других типов зданий. Рамы имеют существенных преимуществ: транспортабельность, легкость, надежность, эстетичность, экологичность и др.

  2. Конструктивные расчеты показали, что наряду с трех шарнирными клееными рамами целесообразно и экономически выгодно применять одношарнирные статически неопределимые клееные рамы. Такие рамы более технологичны в изготовлении и экономически выгодны по расходу древесины, поскольку обладают меньшими расчетными усилиями при прочих одинаковых условиях чем трехшарнирные.

  3. Разработанная методика построения расчетной модели деревянной гнутоклееной рамы с помощью прямоугольных конечных элементов в программном комплексе SСAD дает более достоверный и точный результат исследуемых параметров.

  4. Полученные картины напряженно деформированного состояния криволинейной части гнутоклееной деревянной рам, позволяющие оценить действительную работу рам и назначить параметры сечения, с учетом этих факторов.

  5. Проведенные теоретическое исследования показали зависимость уровня напряженного состояния гнутой части рамы от таких параметров, как радиус кривизны,высоты поперечного сечения относительно радиуса кривизны (r/h), толщины склеенных досок по отношению к радиусу (δ/r)получены зависимости максимальных напряжений от исследуемых параметров рамы.

  6. Полученные результаты исследований показали хорошую достоверность путем сравнения их с экспериментальными данными, приводимыми в диссертационной работе Табунова С. Ю. Расхождения при сравнительном анализе составили не более 4–8 %,что указывает на возможность исследования данной методики расчета в практическом проектировании.


Литература:

  1. Расчет и выбор оптимальных параметров РАМ с прямолинейным ригелем и гнутоклееными стойками для сельскохозяйственных зданий: диссертация... кандидата технических наук Табунова С. Ю.: 05.23.01 61 85–5/236 Ленинград, 1984

  2. «Оптимизация параметров гнутоклееных рам и совершенствование методов их расчета» Сащенко Е. О., ПГУАС, Пенза, 2010 г


Основные термины (генерируются автоматически): напряженно-деформированного состояния, Исследование напряженно-деформированного состояния, напряженно-деформированного состояния деревянных, исследования напряженно-деформированного состояния, закрепление рамы, деревянных рам, модели рамы, части рамы, точке построения радиуса, напряженно-деформированного состояния элементов, напряженно-деформированного состояния гнутых, расчетной модели рамы, внешнего контура рамы, гнутоклееных рам, нижней части рамы, состояния клееных рам, узлы деревянных рам, Шарнирное закрепление рамы, .Шарнирное закрепление рамы, назначение модели рамы.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос