Учет степени влияния нелинейно-упругих и диссипативных свойств элементов деревянных зданий на их сейсмостойкость

78

Общетехнические и социальные проблемы

Заключение

На основании анализа результатов испытаний были сделаны следующие общие выводы о работе парового котла ст. №13 и его техническом состоянии.

1. Поверхности нагрева котла являются относительно чистыми.

2. Обмуровка котла находится в удовлетворительном техническом состоянии.

3. Режимы горения топлива в котлах устанавливаются эксплуатационным персоналом практически интуитивно из-за отсутствия режимных карт и неукомплектованности котлов контрольно-измерительными приборами -давления и температуры мазута, разряжения в топке, давления и температуры дутьевого воздуха, содержания кислорода за котлом, расхода пара.

4. Средневзвешенный КПД брутто при балансовых испытаниях котла ст. №13 составил 81,59%, что соответствует удельному расходу условного топлива 175,09 кг у. т./Гкал. В исследованном диапазоне нагрузок по паропроизводительности котла ст. №13 при нагрузке 99,0%, близкой к номинальной, КПД брутто составлял Дкабр = 81,94%, а при нагрузке 58,0% от номинальной; 'Лкабр=80,65%. Удельный расход условного топлива на этих режимах соответственно составил 174,34 кг у. т/Гкал и 177,13 кг у. т/Гкал.

5. В сравнении с расчетным (паспортным) значением КПД результаты испытаний показывают, что имеет место существенный потенциал энергосбережения, составляющий по средневзвешенным показателям 7,02 кг у.т./Гкал и связанный в основном с оптимизацией организованного избытка воздуха путем выполнения наладки процесса горения мазута, составления режимных карт и с последующей эксплуатацией котлов на рабочем давлении, разрешенном органами государственного надзора и по режимной карте.

6. Средневзвешенный потенциал экономии топлива составляет 4%, или

10,3 т у.т/год, на всю деповскую котельную.

Библиографический список

1. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов котлоагрегатов. - М.: Изд-во АН., 1978. - 428 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / НПО ЦКТИ, СПб., 1998. - 297 с.

3. Методика нормирования расхода тепла и топлива стационарными установками железнодорожного транспорта / МПС РФ. - М., 2002. - 93 с.

УДК 699.841+691 Ж. В. Иванова

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы

79

1. УЧЕТ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ

2. И ДИССИПАТИВНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ ЗДАНИЙ НА ИХ СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

Представлены результаты комплексного исследования сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа. Установлена степень влияния нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала отдельных элементов, получены их характеристики и разработаны практические рекомендации по применению деревянных зданий каркасного типа в сейсмоактивных районах.

деревянные здания, сейсмостойкость, нелинейность, механические свойства, экспериментально-теоретические исследования.

Введение

В настоящее время в современном сейсмостойком строительстве широкое распространение получают деревянные здания различных конструктивных решений. Это связано с рядом их достоинств, к которым относятся экологичность, низкая стоимость, комфортабельность и т. п. Анализ поведения этих зданий во время землетрясений подтверждает их высокую сопротивляемость сейсмическим воздействиям. Однако в ряде случаев, при воздействиях с выраженной низкочастотной составляющей, в узловых соединениях деревянных конструкций, например в зданиях каркаснообшивного типа, имеет место нарушение связей между элементами конструкций и, как следствие, существенное повреждение или даже обрушение здания. Многочисленные примеры таких разрушений имели место в России, Японии, США и других странах. В связи с этим особое значение представляют исследования вопросов работы узловых соединений каркасных зданий, оценка их нелинейно-упругих и диссипативных свойств, изучение реальной картины напряженно-деформированного состояния элементов этих зданий при сейсмических воздействиях [1].

В Петербургском государственном университете путей сообщения проводятся комплексные исследования сейсмостойкости зданий, выполненных из древесины [2], [3], [4].

1 Экспериментальные исследования механических свойств элементов и узлов деревянного здания

1.1 Общие положения

Экспериментальные исследования выполнялись в несколько этапов. Испытанию подвергались различные варианты узлового соединения колонны с балкой, фрагмент ограждающей конструкции, кроме того, выполнялись динамические испытания нагельных соединений.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

80

Общетехнические и социальные проблемы

Испытания одного из основных узлов здания - колонна-балка -проводились на моделях узлов, выполненных в масштабе 1 : 2. Материал элементов узла (колонны и балки) - сосна, соединение колонны и балки выполнено при помощи двух стальных болтовых нагелей. Между колонной и балкой, как вариант соединения, могут устанавливаться прокладки из различных материалов (стали, резины и т. д.). Другим вариантом узла может быть использование втулок из высокоэластичных материалов. Всего было испытано 30 моделей узлов.

Для проведения исследований ограждающей конструкции был выбран ее фрагмент шириной 1,2 м, высотой 2,9 м.

При проведении испытаний учитывались особенности сейсмического воздействия: горизонтальное направление приложения нагрузки, ее знакопеременность, амплитудно-частотные характеристики воздействия.

1.2 Испытания узла колонна-балка и динамические испытания нагельных соединений

Методика проведения испытаний

1. Стандартные и контрольные испытания древесины и стальных болтов в соответствии с требованиями ГОСТ.

2. Исследование фрикционных свойств различных пар трения (дерево вдоль волокон - сталь, резина мягкая - сталь, резина твердая - сталь и др.) с целью уточнения диаграмм деформирования и получения значений коэффициентов трения при различных силах давления на трущиеся пары. Примеры полученных диаграмм деформирования представлены на рисунках 1, 2, 3. Установлено, что все использованные фрикционные пары имеют достаточно высокие коэффициенты сухого трения.

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы

81

Рис. 1. Диаграмма сдвига фрикционной пары дерево (сосна вдоль волокон) - сталь

Рис. 2. Диаграмма сдвига фрикционной пары резина мягкая - сталь

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

82

Общетехнические и социальные проблемы

Рис. 3. Диаграмма сдвига фрикционной пары резина твердая - сталь

3. На статическое загружение и разгружение знакопеременной нагрузкой, прикладываемой в горизонтальной плоскости (плоскости балки) испытывались различные варианты узлов, в том числе узлы с податливыми втулками разной длины. Один из примеров полученных диаграмм деформирования узла колонна-балка приведен на рисунке 4. Установлено, что при динамическом нагружении наблюдается значительное обмятие в нагельном гнезде, для уменьшения которого и одновременного увеличения податливости узла могут применяться резиновые (мягкая резина) втулки различной длины.

4. Для динамического загружения узлов кратковременной и длительной циклической нагрузкой при различных вынужденных частотах воздействия (3,33; 5 и 8,33 Гц) и переменных силах нагружения были изготовлены узлы с различными вариантами нагельных соединений. В ходе выполнения эксперимента были получены виброграммы деформирования нагельных соединений. Результаты обмеров обмятия древесины в нагельном гнезде и измерений изгибных деформаций нагелей для некоторых узлов приведены в таблице.

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы

83

Рис. 4. Диаграммы деформирования узла колонна-балка: а - при длине втулок в 1/3 длины элемента; б - при длине втулок на всю длину элементов узла

ТАБЛИЦА. Деформация в элементах узлов при динамическом нагружении

№ п/п Характеристика узла Обмятие древесины в нагельном гнезде, мм Деформация нагеля, мм Примечание

1 2,2

2 2,3 -

3 2,7

4 2,1

5 Узел без втулок

6 2,4

7 2,5 -

8 2,3

9-16 Узел с резиновой втулкой на всю длину эле- Не возникает Менее

ментов (узел № 4) 1,0 мм

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1

84

Общетехнические и социальные проблемы

1.3 Испытания фрагмента ограждающей конструкции

Испытание включало в себя три этапа.

На первом проводились стандартные и контрольные испытания древесины в соответствии с требованиями ГОСТов.

На втором этапе исследовались демпфирующие свойства выбранного фрагмента, которые оценивались по значению логарифмического декремента колебаний и частоте собственных колебаний.

На третьем этапе выполнялись квазистатические испытания на изгиб, при этом изгибающая нагрузка прикладывалась в двух направлениях: в первом случае нагрузка прикладывалась в плоскости рассматриваемого фрагмента, во втором - перпендикулярно к плоскости рассматриваемого фрагмента. Результаты испытаний нагружения в виде зависимостей деформация-нагрузка показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Диаграмма деформирования фрагмента ограждающей конструкции при изгибе

2 Анализ эффективности применения нелинейно-упругих элементов для повышения сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа

Первоначально расчеты по оценке степени снижения инерционных нагрузок выполнялись на примере простейшей системы - осциллятора с одной степенью свободы и нелинейными диаграммами деформирования, которые соответствовали зависимостям, полученным при опытных испытаниях. Расчеты показали, что для обеспечения снижения сейсмических инерционных нагрузок на строительные конструкции необходимо учитывать одновременное снижение общей жесткости несущих конструкций здания при обеспечении их деформативности. Последующие расчетно-

2006/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические и социальные проблемы

85

теоретические исследования выполнялись с использованием трех вариантов расчетных моделей [3].

1. Базовая модель рассматриваемого здания представляла собой систему, состоящую из трех масс, связанных линейно-упругими связями с коэффициентами жесткости и элементами вязкого трения с коэффициентами демпфирования.

2. Вторая модель, совпадающая по своей структуре с базовой, отличались наличием более податливой упругой связи между массой первого этажа и основанием, а для ограничения амплитуд относительных смещений здания параллельно с упругой связью были включены демпфирующие элементы вязкого или сухого трения.

3. Третья модель предусматривает наличие податливых узлов связи между перекрытиями этажей и несущими стойками каркаса с учетом нелинейно-упругих и диссипативных их характеристик.

Расчеты выполнялись на сейсмические воздействия, задаваемые инструментальными записями акселерограмм реальных землетрясений, а также на пакет синтезированных акселерограмм широкого спектра воздействия.

Заключение

В результате исследований разработана методика оценки сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа с учетом нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала его элементов для широкого класса сейсмических воздействий. Установлено, что для снижения сейсмических инерционных нагрузок при сейсмических воздействиях на деревянные конструкции здания каркасного типа необходимо учитывать снижение общей жесткости несущих конструкций и одновременное обеспечение их деформативности. Определены параметры упругих элементов, позволяющие в несколько раз снизить уровень сейсмических нагрузок на исследуемый тип деревянных зданий.

Библиографический список

1. Иванова Ж. В. Исследование сейсмостойкости каркасных деревянных зданий с учетом нелинейно-упругих и диссипативных свойств материала элементов: Дис. ...канд. техн. наук. - СПб.: ПГУПС, 2000. - 217 с.

2. Бенин А.В., Иванова Ж.В. Экспериментальные исследования механических свойств узлов деревянного здания при сейсмических воздействиях // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2000. - № 2. - С. 19-21.

3. Белаш Т.А., Иванова Ж.В. Исследование сейсмостойкости деревянных зданий // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2003. - № 2. - С. 28-31.

4. Иванова Ж. В. Результаты расчетно-теоретических исследований сейсмостойкости деревянных зданий каркасного типа // Сборник тезисов докладов V Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием. г. Сочи, 22-26 сентября 2003 года. - М., 2003. - С. 131.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/1