Определение оптимальных размеров и форм сотового заполнителя для трехслойной конструкции при действии статической нагрузки

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 624.011.1

Устарханов О.М., МуселемовХ.М., Киявов У.А., Устарханов Т.О.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ И ФОРМ СОТОВОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ТРЕХСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Ustarkhanov O.M., Muselemov Kh.M., Kiayvov U.A., Ustarkhanov T. O.

DETERMINATION OF THE OPTIMAL SIZE AND FORM OF HONEYCOMB FOR A SANDWICH AT THE ACTION OF STATIC LOAD

Работа посвящена теоретическим исследованиям приведенных характеристик четырехгранного (квадратного), шестигранного и цилиндрического (круглого) сотового заполнителя.

Данные теоретических исследований позволяют определить несущую способность трехслойных балок (ТБ) с четырехгранным, шестигранным и цилиндрическим сотовым заполнителем и сравнить, балка с какой формой и размером обладает большей несущей способностью, что представляет интерес инженерно-технических работников и проектировщиков.

Ключевые слова: четырехгранный, шестигранный, цилиндрический, сотовый заполнитель, трехслойный, несущий слой.

The work is devoted to theoretical investigations of the characteristics of a tetrahedral (square), hex and cylindrical (circular) honeycomb.

Evidence of theoretical researches allows to determine the carrying capacity of sandwich beams (TB), square, hexagonal and a cylindrical paper honeycomb and compare beam with any shape and size and has a greater load-bearing capacity, which is of interest technicians and designers.

Key words: square, hexagon, cylindrical, honeycomb core, three-layer, bearing layer.

В настоящее время в области строительства, машиностроения, судостроения, авиации, космонавтики широко применяют легкие конструкции.

Наиболее перспективными легкими конструкциями являются многослойные конструкции, имеющие высокую жесткость при малом весе. Особенно это относится к трехслойным конструкциям с сотовыми заполнителями. Известно, что трехслойная конструкция состоит из двух внешних, сравнительно тонких слоев и толстого среднего слоя (заполнителя).

Заполнитель изготавливается в заводских условиях, что обеспечивает наименьшие отклонения требуемых их размеров. Размеры сот колеблются от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от назначения конструкции.

Несущие слои воспринимают продольные нагрузки (растяжение, сжатие, сдвиг) в своей плоскости и поперечные изгибающие моменты. Заполнитель воспринимает поперечные силы при изгибе и обеспечивает совместную работу и устойчивость несущих слоев. Способность заполнителя воспринимать нагрузку в плоскости несущих слоев зависит от конструкции заполнителя и его жесткостных характеристик.

Внешние, так называемые несущие слои, изготавливаются из прочных материалов (стали, сплавов легких металлов, дерева, армированной волокном пластмассы, бетона или асбестоцемента и др.). Внутренний слой - заполнитель - изготавливается из относительно малопрочных материалов с малой плотностью (из пробки, резины, древесины,

48

пластмассы, вспененного полимерного материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции). Выбор формы сот зависит от формы трёхслойной конструкции и выполняемой ею функции. Механические свойства сотового заполнителя зависят главным образом от толщины стенок и размера грани ячеек.

Для определения оптимальных размеров и форм сотового заполнителя проведен теоретический расчет ТБ с четырехгранным, шестигранным и цилиндрическим сотовым заполнителем одинаковой площадью основания и объемом ячейки по известной методике изложенной в справочнике под общей редакцией В.Н. Кобеле ва [1].

В качестве примера рассматривалась шарнирно опертая ТБ (рис.1) длиной Ь=70см, а ширина менялось в зависимости от размера грани ячейки заполнителя. Толщина несущих слоёв 1мм, толщина заполнителя 0.12мм. Несущие слои из алюминия АМГ2-Н, а сотовый заполнитель из сплава алюминия Д16-АТ. Высота ТБ менялось от 4 до 8см с градацией 2см.

Рисунок 1 - Балка, шарнирно опертая и нагруженная усилием q, равномерно

распределённым по поверхности

Для расчёта таких конструкций необходимо знать приведённые характеристики сотового заполнителя.

С целью определения приведённых характеристик сотового заполнителя, из заполнителя ТБ (рис.1) вырезаем элементарную ячейку (рис.2).

Рисунок 2 - Элементарные ячейки шестигранного, четырехгранного и цилиндрического

сотового заполнителя

Условный предел прочности при сжатии в направлении оси z для шестигранного и четырехгранного сотового заполнителя равен:

для цилиндрического сотового заполнителя: где:

Направлению x соответствует цифра 1, у - цифра 2, z - цифра 3; Кпр- коэффициент прерывистости;

К1— коэффициент, зависящий от соотношения размеров сот;

К3- коэффициент, зависящий от материала заполнителя, для алюминиевых сот К3=0,275 ;

Емз— модуль упругости заполнителя (Емз=690000 кгс/см2);

толщина стенки заполнителя; a,b,c,r,R — параметры сотового заполнителя (рис. 2);

для шестигранного сотового заполнителя:

для четырехгранного сотового заполнителя:

для цилиндрического сотового заполнителя:

Vмз - объём материала заполнителя; Vяч - объём ячейки заполнителя; Sосн - площадь основания ячейки.

Максимальные нормальные напряжения в верхнем несущем слое ТБ равны: Максимальный прогиб в середине ТБ равен:

О 12

q * Г

""" 8 » В„,« (Ь2 - Ь,)2

48

где:

14 = 4.(1+^/2; Ъ2 = -1г *(1+^)/2;

Г = Г 1

1,2

для шестигранного сотового заполнителя:

С1Я = 0,В79*-^*Си3;

для четырехгранного сотового заполнителя:

с1зэ * ;

а

для цилиндрического сотового заполнителя:

с1зэ - * смз ;

Glзз - приведённый модуль сдвига в плоскости x0z; Gмз =270000 кгс/см2 - модуль сдвига заполнителя; В - жёсткость стенки заполнителя. Результаты расчетов приведены в таблицах 1 3.

Таблица 1 - Результаты расчетов ТБ с четырехгранным сотовым заполнителем

^ МПа ^ см с, см a, см вш; МПа 012, МПа Wmax, мм

0.8 405 -99.62 3.307

4 2.4 133.88 -99.92 3.781

4 81 -100.22 4.243

0.8 405 -64.09 1.547

0.065 70 6 2.4 133.88 -63.88 1.868

4 81 -63.68 2.18

0.8 405 -49.83 0.907

8 2.4 133.88 -49.99 1.149

4 81 -50.14 1.386

Таблица 2 - Результаты расчетов ТБ с шестигранным сотовым заполнителем

^ МПа 1, см с, см г, см вш; МПа 012, МПа Wmax, мм

0.065 70 4 0.5 569.59 -99.57 3.237

1.5 189.86 -99.79 3.573

2.5 113.91 -100 3.906

6 0.5 569.59 -61.12 1.501

1.5 189.86 -62.97 1.726

2.5 113.91 -63.83 1.951

8 0.5 569.59 -49.81 0.872

1.5 189.86 -49.92 1.043

2.5 113.91 -50.03 1.213

Таблица 3 - Результаты расчетов ТБ с цилиндрическим сотовым заполнителем

^ МПа 1, см с, см R, см вш; МПа 012, МПа Wmax, мм

0.065 70 4 0.45 720 -99.55 3.205

1.4 231.42 -99.73 3.483

2.3 140.86 -99.9 3.746

6 0.45 720 -64.13 1.477

1.4 231.42 -64.01 1.665

2.3 140.86 -63.9 1.844

8 0.45 720 -49.80 0.855

1.4 231.42 -49.89 0.997

2.3 140.86 -49.98 1.131

Сравнение результатов теоретических расчетов показывает, что напряжения в несущих слоях ТБ не значительно зависит от принятых площадей и форм сотовых заполнителей при одной и той же высоте, но на прогиб влияние принятых размеров и форм сотовых заполнителей значительно.

И в целом по результатам теоретических расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Прогибы в ТБ с четырехгранным сотовым заполнителем больше прогибов ТБ с шестигранным сотовым заполнителем (при изменении площадей основания сот) на

(2^8) % при высоте сотового заполнителя с=4см, на (3^10) % при высоте сотового заполнителя с=6см, на (4-12) % при высоте сотового заполнителя с=8см (рис.3 - рис.5).

Рисунок 3 - График зависимости прогибов от нагрузки для ТБ с площадью основания соты равным 16.25 см2

Рисунок 4 - График зависимости прогибов от нагрузки для ТБ с площадью основания соты равным 16.25см2

Рисунок 5 - График зависимости прогибов от нагрузки для ТБ с площадью основания соты, равным 16.25см2

2. Прогибы в ТБ с шестигранным сотовым заполнителем больше прогибов ТБ с цилиндрическим сотовым заполнителем (при изменении площадей основания сот) на (1^4) % при высоте сотового заполнителя с=4см, на (2^5) % при высоте сотового заполнителя с=6см, на (3^7) % при высоте сотового заполнителя с=8см (рис.3 — рис.5).

3. Прогибы в ТБ с четырехгранным сотовым заполнителем больше прогибов ТБ с цилиндрическим сотовым заполнителем (при изменении площадей основания сот) на (3^12) % при высоте сотового заполнителя с=4см, на (5^15) % при высоте сотового заполнителя с=6см, на (6^18) % при высоте сотового заполнителя с=8см (рис.3 — рис.5).

4. При увеличении высоты сотового заполнителя ТБ с=4см до с=6см прогибы увеличивались на (48-53) %, а напряжения в верхнем несущем слое увеличивались на (35-38) %, а при увеличении высоты сотового заполнителя ТБ с=6см до с=8см, прогибы увеличивались на (35-40) %, а напряжения в верхнем несущем слое увеличивались на (20-22) % (рис.3 - рис.5).

Исходя из выше изложенного можно сделать общий вывод, что из выбранных для расчета форм сотовых заполнителей самым оптимальным по всем параметрам является ТБ с цилиндрическим сотовым заполнителем.

Библиографический список:

1. Кобелев В.Н., Коварский Л.М., Тимофеев С.И. Расчет трехслойных конструкций// М.: Машиностроение, 1984. 304с.

УДК 69.059

МажиевХ.Н., БатаевД.К-С., ДухаевХ-М.С., МажиевК.Х., Мажиева А.Х.

РЕГУЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Mazhiev Kh.N., Bataev DK-S., Dukhaev Kh-M.S., Mazhiev K.Kh., Mazhieva A.Kh.

REGULATION OF SEISMIC LOAD ON BUILDINGS SEISMIC DEVICES

Рассматриваются вопросы регулирования сейсмической нагрузки на сооружения с помощью кинематических опор из высокопрочного бетона на пропитанном крупнозернистом заполнителе и сейсмоизолирующих тарельчатых опор. Приводятся результаты экспериментальных исследований, связанные с получением нового крупнозернистого заполнителя и работы конструкции сейсмоизолирующих опор. Затрагиваются вопросы взаимодействия сил в полусферических опорах при колебательном процессе.

Ключевые слова: сейсмическая нагрузка, сейсмоизолирующая опора, фундамент, бетон, испытания, регулирование, воздействия.

The issues of regulation of seismic loads on structures using kinematic supports of high-strength concrete on the impregnated coarse aggregate and seismic isolation bearings Belleville. The results of experimental studies related to the obtaining of a new coarse aggregate and construction of seismic isolation bearings. Addresses the issues of interaction forces in the hemispherical supports vibration process.

Key words: seismic load, seismic isolation bearing, foundation, concrete, testing, regulation, impact.

Как отмечается в работе [1, 8-10], на современном этапе наиболее часто используются два подхода регулирования сейсмостойкости: рассеяние энергии и сейсмоизоляция. Различие сложившихся подходов обусловлено конструктивным решением рассматриваемых сооружений, желаемым способом регулирования динамических характеристик и видом используемого сейсмоизолирующего устройства.

Под руководством доктора технических наук Черепинского Ю.Д. разработан и запатентован способ регулирования сейсмической нагрузки на здания и сооружения [2], который заключается в том, что при горизонтальной сейсмической нагрузке на надземные