Новый способ экспериментального исследования металлических ребристых конструкций

2/2009

ВЕСТНИК _МГСУ

НОВЫЙ СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РЕБРИСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С.А. Ращепкина

СГТУ

Предлагается новый способ экспериментального исследования, позволяющий производить измерения деформаций и больших перемещений строительных конструкций, например, в процессе исследования формообразования цилиндрических, куполообразных и сферических ребристых оболочек или других подобных пространственных систем.

1. Постановка задачи. Разработка новых пространственных ребристых конструкций и нового принципа их создания представляет огромный интерес. Это требует изучение и применение новых методов исследования процесса их формообразования, фиксирующих одновременно деформации и перемещения не только при этапном приложении нагрузки, но при непрерывном ее действии в течение определенного времени с целью изучения влияния различных факторов на действительную работу элементов конструкций.

Академик Н.П. Мельников в работе [1] отметил: "Возможность подвергнуть анализу значительное число вариантов, учитывая различные факторы формообразования, позволит создавать сложнейшие сооружения различных типов,...".

В Балаковском институте техники, технологии и управления СГТУ разработан способ создания новых пространственных ребристых конструкций [4-6]. Суть его заключается в образовании из плоской заготовки ребристой конструкции. Причем одновременно в процессе создания дискретно расположенных ребер формируется ее проектная форма (рис.1).

Рис. 1. Пространственные металлические конструкции с полыми ребрами: а, г - продольные ребра; б, д - перекрестная система ребер; в - спиральные ребра

Формообразование таких конструкций производится в два этапа: первый этап - изготовление плоской заготовки; второй этап - образование пространственной формы конструкции с полыми ребрами. Принцип формообразования показан на примере создания ребристой цилиндрической панели (рис.2).

Панели представляют собой ребристые пластины или открытые цилиндрические оболочки, в которых ребра чечевицеобразного поперечного сечения расположены симметрично относительно их срединной поверхности (рис.1). Формообразование таких панелей производится из однослойной плоской заготовки представляющей металлическую пластину с дискретно наваренными полосами (рис.2, а).

ВЕСТНИК 2/2009

а б в

Рис.2. Металлическая ребристая панель: а - плоская заготовка; б - сформированная панель; в - модель цилиндрической панели; 1 - лист; 2 - полосы; 3 - торцевые кромки; 4 - продольные кромки

Создание ребристых панелей из плоских заготовок производят сжатым воздухом, подаваемым через штуцер в пространство между полосами и пластиной. За счет пластических свойств и конечной изгибной жесткости металла проектная форма панели остается неизменной, и после снятия избыточного давления (рис.2, б). Изготовление панели может быть выполнено как в заводских условиях, так и на строительной площадке.

Для изучения процесса формообразования и изменения напряженно--деформиро-ванного состояния ребристых конструкций при создании пространственной формы нами разработан новый способ поэтапного или непрерывного их экспериментального исследования.

2. Краткий анализ существующих способов исследования конструкций. Исследования конструкций с помощью трехточечных или четырехточечных приборов с индикаторами [2] применим для измерения только малых значений перемещений поверхности. Прибор имеет неподвижные ножки и один подвижный штифт.

Использование оптических методов позволило исследовать перемещения не только в отдельных точках, а на больших участках поверхности [3]. При наличии кривизны исследуемой поверхности на фотопластинке получается искаженное изображение сетки, по которому определяют кривизну в любой точке. Расшифровка результатов производится путем наложения фотографий, соответствующих различным значениям нагрузки, и измерения с помощью стереокомпаратора. Трудоемкость проведения измерений и невозможность фиксирования значительных перемещений конструкций с большой кривизной и высокой точностью не позволяет применить его при исследовании сложных конструкций.

С появлением новой аппаратуры (цифровой техники, видеокамер и т.п.) появились новые возможности фиксирования результатов строительного эксперимента с большой точностью, причем непрерывно в процессе проведения всего эксперимента. Это позволило предложить новый подход к исследованию строительных конструкций, и в частности, при исследовании новых конструкций формируемых сжатым воздухом, где требуется обеспечение фиксации данных эксперимента на протяжении всего этапа проведения исследования пространственной конструкции в процессе образования полых ребер и придание конструкции проектной пространственной формы с повышенной точностью измерения больших перемещений.

3. Сущность предлагаемого способа экспериментального исследования. Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании новой методики иссле-

2/2009 ВЕСТНИК

дования пространственных конструкций с использованием цифровой техники, видеосъемки и компьютерных технологий, в возможности фиксирования изменения кривизны конструкции в процессе ее формообразования. Новый способ исследования конструкций, иллюстрируется на примере создания цилиндрической ребристой панели формируемой из плоских заготовок (рис.2).

При исследовании формообразования модели панели выполняются следующие операции (рис. 3).

Испытательный изображения (видеокамера); 4 - кабель передачи видеоизображе-

стенд ния; 5 - компьютерное видеоизображение

а) Источник видеоизображения 3 устанавливают со стороны торца конструкции 1, располагая в пределах угла обзора ее поперечного сечения. Видеозапись производят из одной неподвижно зафиксированной точки, причем осуществляют видеозапись непрерывно в процессе формирования продольных полых ребер и придания панели цилиндрической формы.

б) Осуществляют (с использованием известных программных средств) покадровую передачу видеоизображения формируемой конструкции цилиндрической панели 1 в компьютер и формируют покадровое компьютерное видеоизображение 5 создаваемой цилиндрической панели.

в) Создают на экране компьютера густую сетку и покадровое совмещение сформированного компьютерного видеоизображения 5 конструкции 1 с данной сеткой с образованием поэтапной точечной системой измерения перемещения конструкции 1 и перемещения и деформаций ее полых ребер.

г) Создают базу данных и полученную информацию заносят в папку, обрабатывают и строят поточечные графики необходимых зависимостей, требуемых задачами исследования.

е) Полученные графики выводят на экран компьютера в текстовом и графическом виде или распечатывают на бумажном носителе и используют для анализа параметров путем оценки отклонения расчетной величины кривизны панели и экспериментально полученной, а также оценки отклонения экспериментально полученных данных по формообразованию полого ребра от его расчетной величины.

По предлагаемой методике были проведены экспериментальные исследования на ряде пространственных металлических конструкций с различным количеством полых ребер и заданных размерами.

На рис.4 представлен фрагмент процесса формообразования конструкции, полученный предлагаемым способом исследования на примере трехреберной панели с представлением соответствующих эпюр.

ВЕСТНИК МГСУ

2/2009

а б в

Рис.4. Формообразование ребристой панели: а - этапы формообразования; б - эпюры формообразования; в - панель, изготовленная в заводских условиях

Полученная информация позволяет проанализировать процесс создания ребристой конструкции, получить качественную и количественную картину ее формообразования в процессе непрерывной подачи сжатого воздуха к плоской заготовке. При этом непрерывно фиксируются большие перемещения панели в процессе образования полых ребер и в целом пространственной конструкции.

Таким образом, предложенный способ позволяет экспериментально исследовать формообразование пространственных ребристых металлических конструкций одновременно с формированием полых ребер за счет подачи сжатого воздуха ме^ду заготовкой и герметично прикрепленными к ней полосами на основе использования цифровой техники, видеосъемки и компьютерных технологий, позволяющих фиксировать деформации и большие перемещения с высокой точностью.

Литература

1. Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. - М.: Стройиздат,1983. - 543 с.

2. Финк К., Рорбах X. Напряжения и деформации. Под ред. Пригоровского Н.И. М.: Гос.науч.-техн.изд-во маш. лит-ры. - 1961. С.520-524.

3. Моссаковский В.И. Маневич Л.И., Мильцин А.М. Моделирование несущей способности цилиндрических оболочек. - Киев: Наукова думка, 1977.- 138с.

4. Патент №2272692 С1 РФ. Способ изготовления цилиндрических изделий / Ращепкина С.А., Денисова А.П., Бойчук С.В. 2006.

5. Ращепкина С.А., Романов Д.А. Исследования напряженно-деформированного состояния новой конструкции металлической емкости для сыпучих материалов // Вестник ВолгГАСУ Сер.: Стро-во и архит. 2009. Вып. 1(32). С.43-48.

6. Ращепкина С.А., Бойчук С.В. Технология создания новых конструкций повышенной транспортабельности (инновационный проект, диплом III степени) // Четвертый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: в 3ч. Машиностроение, энергетика, строительство. Ч.3. Саратов: СГУ, 2009.

Ключевые слова: металлические ребристые конструкции, формообразование полых ребер, принцип создания пространственных конструкций, способ исследования, эксперимент, деформации, перемещения.

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».