УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТОГО СТЕРЖНЯ ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к строительным конструкциям и может быть использована для исследования устойчивости центрально сжатого анизотропного элемента при расчете конструкций зданий и сооружений (колонны, стойки и пояса ферм).
Известен стенд для исследования устойчивости упругого стержня, сжатого следящей силой (патент РФ 2082147 опубл. 27.11.2005 по заявке 2005117959/22 от 03.06.2005), содержащий основание для крепления упругого стержня, силовой агрегат в виде ползуна, размещенного с малым зазором между двумя параллельными планками, резервуара для сжатого воздуха, редуктора, сопла, манометра, штуцера и соединительных шлангов, в ползуне выполнена продолговатая полость и два резьбовых отверстия для закрепления сопла и упругого стержня, а на двух противоположных плоскостях ползуна каналы, на одной из планок выполнено резьбовое отверстие для закрепления манометра, а на другой отверстие для сообщения полости в ползуне и каналов с резервуаром сжатого воздуха посредством штуцера и шлангов.
Недостатком данного стенда является тот факт, что стенд громоздок, маломощен, сложен по конструкции и технологии изготовления.
Известна установка для исследования стержней на устойчивость при сжатии с кручением (патент РФ 2140625 опубл. 1999.27.10 по заявке 98102539/03 от 1998.17.02), состоящая из станины, испытуемого стержня, установленного в верхней и нижней опорах с резьбовыми крепежными элементами, балансирного нагружающего рычага, с одной стороны шарнирно связанного со станиной и снабженного балансирным грузом с возможностью перемещения вдоль его резьбовой части, к которому с другой стороны шарнирно прикреплен подвес с грузом, в нижней части рычаг имеет цилиндрический упор с геометрической осью, которая расположена на оси симметрии испытуемого стержня, а сам упор расположен в центрирующем гнезде верхней опоры, отличающаяся тем, что верхняя опора выполнена в виде горизонтального шкива с желобом, к которому симметрично с двух сторон прикреплены гибкие нити с грузами на концах, перекинутые через блоки, шарнирно связанные со станиной, а упор выполнен в виде вертикального стержня, расположенного в глухом центрирующем отверстии шкива, нижняя опора испытуемого стержня выполнена в виде клеммы, жестко прикрепляющей испытуемый стержень к станине.
Недостатком данной установки является сложность конструкции и технологии изготовления стенда.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является стенд для исследования устойчивости упругого стержня (патент РФ 2082147 опубл. 20.07.1997 по заявке 2006131860/22 от 05.09.2006), содержащий основание для крепления упругого стержня, силовой агрегат, отличающийся тем, что силовой агрегат выполнен в виде ползуна, размещенного с малым зазором между двумя параллельными планками, резервуара для сжатого воздуха, редуктора, сопла, манометра, штуцера и соединительных шлангов, в ползуне выполнена продолговатая полость и два резьбовых отверстия для закрепления сопла и упругого стержня, а на двух противоположных плоскостях ползуна каналы, на одной из планок выполнено резьбовое отверстие для закрепления манометра, а на другой отверстие для сообщения полости в ползуне и каналов с резервуаром сжатого воздуха посредством штуцера и шлангов.
Недостатком данного стенда является скоротечность действия сжатого воздуха, стенд требует многократных повторных заправок баллона со сжатым воздухом, что осложняет проведение опытов.
Технической задачей изобретения - является создание расчетной модели центрально сжатого стержня из анизотропного материала, которая с высокой точностью отражает работу элементов реальных конструкций зданий и сооружений, что в свою очередь позволяет инженеру более четко выполнять расчет, т.е. эффективно использовать строительные материалы с уверенностью в сохранении несущей способности конструкцией.
Задача решается тем, что исследуемый образец размещается в рабочей шарнирно-стержневой системе, в элементах которой возникают сжимающие усилия, что дает возможность исследовать устойчивость центрально сжатого стержня. Сила тяжести, создаваемая за счет массы груза, вызывает натяжение каната, которое посредствам шарнирно-стержневой системы рабочей рамки преобразуется в сжимающую силу.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 показана структурная схема устройства, на фиг. 3 представлена структурная схема шарнирно-стержневой системы, на фиг. 4 показана расчетная схема центрально сжатого стержня, реализуемая при помощи устройства для исследования устойчивости центрально сжатого стержня из анизотропного материала.
Устройство содержит (фиг. 1, фиг. 2): рабочая шарнирно-стержневая система - 1; канат - 2; несущая рама шарнирно-стержневой системы - 3; неподвижная обойма блока полиспаста - 4; неподвижная обойма блока полиспаста - 5; подвижная обойма блока полиспаста - 6; груз - 7; несущая рама полиспаста - 8, исследуемый стержневой элемент из анизотропного материала - 9; тензорезистор - 10. Шарнирно-стержневая система состоит из (фиг. 3): металлический элемент - 11; шарнир - 12; игла - 13; сжимающие элементы - 14. На стержень из анизотропного материала 9 приклеиваются тензорезисторы 10, после чего исследуемый элемент размещается в рабочей рамке 1 между сжимающими элементами 14. Предварительно в центе тяжести поперечного сечения на концах стержня 9 сверлятся отверстия (на фиг. не показаны), в которые устанавливаются иглы 13 сжимающих элементов для обеспечения центральности сжатия. С одной стороны рабочая шарнирно-стержневая система 1 на анкерных болтах крепится к основанию, с другой стороны к шарнирно-стержневой системе закрепляется канат 2, который запасовывается через подвижную обойму блока полиспаста 6 и неподвижную обойму блока полиспаста 4, который закрепляется на несущей раме 3, через неподвижную обойму блока полиспаста 5 канат соединяется с элементом для крепления груза 13.
Устройство работает следующим образом. На элемент для крепления груза 13 подвешивается груз. Груз 7 создает натяжение каната 2. Усилие натяжение у рабочей рамки увеличивается в соответствие с кратностью полиспаста. В металлических элементах рамки 11 возникают усилия растяжения, в этот момент в сжимающих элементах 14 возникают сжимающие усилия, которые нагружают исследуемый стержень из анизотропного материала 1. Масса груза увеличивается ступенями. В процессе эксперимента при помощи тензорезисторов 10 фиксируются напряжения на поверхностях элемента, прогиб - с использование электронного прогибомера, изменение длины стержня сопоставляют с расстоянием, на которое опускается груз 7.
кр
кр
Центрально сжатый стержень может пребывать в двух состояниях - устойчивом и неустойчивом. При малой сжимающей силе, меньше некоторого критического значения P<P сжатый стержень нечувствителен к малым возмущениям. Незначительные дополнительные воздействия мало отклоняют стержень от его прямоугольного состояния, что отвечает устойчивому положению сжатого стержня. При P>P прямоугольная форма сжатого стержня неустойчива. Сколь угодно малые случайные воздействия вызовут большие отклонения - неустойчивая форма равновесия. При этом стержень искривляется. Такое состояние называется продольным изгибом.
кр
Появление продольного изгиба опасно тем, что при нем происходит очень сильное нарастание прогибов при малом нарастании сжимающей силы. Прогибы и нагрузка связаны между собой нелинейной зависимостью. Быстрое нарастание прогибов вызывает быстрое нарастание напряжений от изгиба, что ведет к разрушению стержня. Для тонких (гибких) стержней потеря устойчивости часто наступает при сравнительно небольших сжимающих напряжениях. Количественной мерой, определяющей переход центрального стержня из состояния устойчивого в неустойчивое, оказывается величина сжимающей силы. Пограничное между двумя состояниями значение силы называется критической силой и обозначается P. Теоретическая формула для определения критической силы, формула Эйлера, имеет вид:
где µ - коэффициент, зависящий от способа закрепления концов стержня;
min
J - минимальный осевой момент инерции поперечного сечения стержня;
λ - безразмерная величина, называемая гибкостью стержня:
min
здесь i - минимальный радиус инерции сечения стержня:
где F - площадь поперечного сечения).
Соответствующие нормальные напряжения называются критическими:
пц
Формулами (1) и (4) можно пользоваться только при таких нагрузках, пока напряжения не превышают предела пропорциональности материала σ. Это определяет рамки применимости теории Эйлера:
При меньших значениях гибкости формула (4) неприменима, так как потеря устойчивости происходит при напряжениях, превосходящих предел пропорциональности. В этих случаях применяются эмпирические формулы и соответствующие им таблицы или графики. Формула Ясинского для критического напряжения при λ<λ* имеет вид:
Здесь a и b - постоянные, зависящие от свойств материала.
Полезная модель позволяет моделировать работу сжатого элемента фермы (стойки, пояса и т.п.), т.е. стержня, имеющего шарнирно-подвижную опору и сжатого с двух сторон силами, равными по модулю, но противоположными по направлению. Расчетная схема представлена на фиг. 4.
Полезная модель позволяет исследовать устойчивость сжатого стержня из анизотропного материала при сравнительно небольших экономических затратах, и обеспечить возможность установления значения коэффициента µ для стержня, имеющего шарнирно-подвижную опору и сжатого с двух сторон силами, равными по модулю, но противоположными по направлению. Полезная модель дает возможность исследовать изменение напряженно-деформированного состояния данного элемента, что в свою очередь позволяет более точно описать процесс потери устойчивости элемента, имеющего разные характеристики жесткости во всех направлениях.