Постановка экспериментальных исследований оболочек большого диаметра с наполнителем

УДК 624.159

Н.Я. Цимбельман, Т.И. Чернова

ЦИМБЕЛЬМАН Никита Яковлевич - кандидат технических наук, заведующий кафедрой гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ЧЕРНОВА Татьяна Игоревна - магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: ch_t_i@mail.ru © Цимбельман Н.Я., Чернова Т.И., 2012

Постановка экспериментальных исследований оболочек большого диаметра с наполнителем

Предлагается метод изучения характера напряженно-деформируемого состояния оболочечных конструкций с учетом взаимодействия тонкой оболочки с наполнителем и средой основания в лабораторных условиях на моделях. Данный метод является одним из шагов в создании более точной математической модели оболочечных конструкций.

Ключевые слова: оболочечная конструкция, наполнитель, модельные исследования, математическая модель, испытательная установка.

Assignment of tasks for experimental research of large-diameter thin shells with elastik filler. Nikita Ya. Tsimbelman, Tatiana I. Chernova - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok). A method of studying the nature of the stress-strain condition of shell structures is proposed in the paper. The proposed method takes into account the interaction (in a physical model) in between ground environment and thin shell with filler. The method is one of the steps in creating a more accurate mathematical model of shell structures.

Key words: thin shell designs, elastic filler, model researches, mathematical model, proof-of-concept.

Оболочечные конструкции - перспективный тип конструкций в современном строительстве (гидротехническом, промышленном, гражданском) за счет рациональной совместной работы относительно дешевого наполнителя и материала оболочки, удерживающего наполнитель в проектном положении. Из-за недостаточной изученности взаимодействия этих двух компонентов конструкции при проектировании для исключения недопустимых деформаций предусматривают специальные конструктивные мероприятия (полки, ребра и др.), что усложняет процесс строительства. В связи с этим актуальной является задача изучения характера напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций с наполнителем с учетом особенностей взаимодействия тонкой оболочки с наполнителем и средой основания.

Первые модельные исследования оболочечных конструкций были проведены в 1952 г. И.В. Фёдоровым и В.Н. Титовой (рассматривались ячеистые конструкции из металлического шпунта диаметром 0,7 м, высотой 1 м), позже в 1969 г. С.П. Левачёв и В.С. Шурупов испытывали модель из трёх цилиндрических оболочек диаметром 0,48 м и высотой 0,78 м. Последние крупные исследования на моделях в этой области проведены в 1986 г. А.Т. Беккером и В.И. Селивёрстовым (выработана методика расчета деформаций цилиндрических сооружений).

Планируемый эксперимент предполагает изучение работы сооружения в лабораторных условиях. Для этого необходимо, чтобы исследуемая модель и условия ее работы соответствовали реальному сооружению и явлениям, происходящим в натурных условиях. Исследуемая конструкция - тонкая оболочка, удерживаемая в проектном положении большей частью за счет работы внутреннего наполнителя.

Основной целью эксперимента является определение направлений развития математической модели оболочечной конструкции с наполнителем.

Наибольший интерес представляют особенности работы оболочечной конструкции в зоне контакта с грунтовым основанием. Для описания напряжено-деформированного состояния конструкции в указанной области в математическую модель оболочки вводится описание «краевого эффекта» (труды И.Г. Терегулова, И.В. Стасенко).

Для оболочек большого диаметра с наполнителем, опирающихся на основание нижним торцом и передающих часть нагрузки на основание через внутренний наполнитель, интересен характер распределения напряжений в оболочке при внецентренном нагружении на жёстком и податливом основаниях.

На данном этапе работы запланирован эксперимент, направленный на фиксацию картины распределения напряжений в стенке тонкой оболочки с внутренним наполнителем, установленной на жёстком недеформи-руемом основании.

В качестве схемы нагружения принята модель оболочки большого диаметра, размеры модели получены согласно положениям теории подобия с учётом соотношения жёсткостей модели и натуры (см. таблицу) [1, 3, 4]. Модуль упругости материала (пластик) модели определен согласно стандартным методикам [2].

Параметры модели

Параметр Диаметр модели, d , м м Высота модели, И , м м Толщина стенки модели, 1 , м м Модуль упругости материала модели, Е , кПа м

Значение 0,5 0,725 0,004 0,8106 - пластик

Внутренний наполнитель - сухой песок, благодаря отсутствию связности принимаемый в качестве модели наполнителя в натуре [5, 6].

Схема нагружения - цилиндрическая оболочка с жестким оголовком по верхнему свободному торцу, жестко закреплена на основании (см. рисунок).

Планируется приложение горизонтальной нагрузки к верхнему краю (оголовку) оболочки с фиксацией перемещений и картины распределения напряжений в нижней (опорной) области оболочки с наполнителем.

Параметры модели указаны в таблице.

На данном этапе планируется решить следующие задачи:

• собрать испытательную установку, позволяющую осуществлять сдвиг и поворот модели на жестком (в будущем - на податливом) основании;

• установить измерительную систему, способную фиксировать деформации в теле оболочечной конструкции, произвести ее калибровку;

• зафиксировать развитие деформаций конструкции во времени в зависимости от роста нагрузки;

• зафиксировать характер разрушения оболочечной конструкции;

• установить зависимость изменения напряжений в теле оболочки от внешней нагрузки;

• рекомендовать конструктивные приемы, позволяющие повысить эффективность работы наполнителя в составе оболочечных конструкций в различных эксплуатационных условиях.

На начальном этапе обработки данных необходимо установить соответствие картины напряжений в теле оболочки при заданных условиях с расчетными моделями, разработанными на основе метода конечных элементов (МКЭ).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высш. шк. 1976. 480 с.

2. ГОСТ 9550-81. Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе. М.: Изд-во стандартов, 2004. 8 с.

3. Довгаленко А.Г. Некоторые вопросы теории моделирования работы эстакадных набережных в грунтовом лотке // Портовое гидротехническое строительство. М.: Транспорт, 1965. С. 5-18.

4. Довгаленко А.Г. О подобии напряжений и деформаций грунта, модели и натуры // Портовое гидротехническое строительство. М.: Транспорт, 1966. С. 71-85.

5. Довгаленко А.Г. Теория и практика модельных исследований морских причальных сооружений. М.: Транспорт, 1977. 184 с.

6. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М.: Высш. шк. 1985. 352 с.

7. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: АН СССР, 1953. 94 с.

8. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Т. 1. М.; Л.: Госстройиздат, 1961. 508.

Кинематическая схема нагружений