Моделирование конструкций

 

моделирование конструкций, моделирование строительных конструкций

В 1922 г. Дж. И. Беггс, профессор гражданского строительства Принстонского университета, опубликовал описание своего деформометра. Он был основан на теореме, выведенной в 30-е годы XIX в. из работ Кастильяно X. Мюллером—Бреслау, профессором Берлинского технического университета.

Теория упругости применима только в случае малых упругих деформаций, поэтому Беггс использовал небольшие перемещения, изменяемые с помощью микроскопа. Это утомляло глаза и одному оператору было трудно пользоваться таким оборудованием даже при непродолжительной работе. С другой стороны, использование картона для моделей вело к ошибкам, в связи с чем позднее перешли на использование в моделях металла или пластмасс.

В действительности, лишь при измерении больших перемещений возможны сравнительно небольшие ошибки. В 1926 г. появился континостат Отто Готтшалка — первое изобретение, основанное на использовании больших перемещений. Он состоял из сборных секций, из которых собиралась модель. Как и аппарат Беггса, он получил серийное производство, но так и не стал расчетным инструментом. Главным недостатком этого приспособления было ограниченное число применяемых секций и ограниченный диапазон их свойств.

Деформометр Уильяма Энея, использовавшего модели из целлулоида, позволял воспроизводить любые свойства сечений и измерять большие перемещения, однако он появился лишь в конце 30-х годов нашего века.

В 20-е годы быстро развиваются методы расчета многоэтажных зданий, результатом чего явились проекты зданий Крейслер Билдинг и Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке. Были разработаны простые, но довольно приближенные методы расчета и более точные, но сложные методы, основанные на теории упругих деформаций или методе перемещений.

В связи с предвоенным кризисом и второй мировой войной в течение 30-х и начале 40-х годов объем строительства был невелик, а в 1930 г. Харди Кросс опубликовал сравнительно простой метод расчета рамных каркасов. Деформометр Энея, который появился слишком поздно, оставался первоначально полезным лабораторным прибором для исследования конструкций.

Улучшение оборудования для испытания моделей конструкций начиная с появления деформометра Беггса продолжалось в 30-х, 40-х и 50-х годах. Наряду с этим совершенствовалась и вычислительная техника.

Начало XX в. было также периодом повышенного интереса к криволинейным каменным и бетонным конструкциям. Математические решения были получены только для некоторых оболочек, но они не удовлетворяли многих проектировщиков. В 30-х годах железобетонные сооружения строились без применения точных теоретических методов расчета конструкций. Особенно это касалось работ Пьера Луиджи Нерви в Италии и Эдуарда Торройя в Испании.

В этих условиях для расчета выполнялись модели в определенном масштабе. Нагрузки на них определялись по теории прямого подобия; по измерениям деформаций и прогибов модели можно было рассчитать натурные сооружения.

Галилей в XVII в. уже наметил основные принципы теории подобия конструкций. Модели, рассчитанные в 20-х годах XX в. в соответствии с этой теорией, использовались для анализа конструктивных решений плотин, которые имели неправильную геометрическую форму, как того требовала топография местности, где они строились. Математические решения для расчета такого рода конструкций весьма трудны. Эти модели, однако, были громоздкими и тяжелыми по сравнению с моделями, используемыми позднее при проектировании зданий, поэтому измерения величины деформаций могли производиться только достаточно громоздкими приборами с большой базой — порядка 120—160 мм.

Приборы для измерения небольших упругих деформаций после 1870 г. быстро совершенствовались, но они были слишком тяжелыми или требовалась сравнительно большая база измерения. Легкие тензометры с базой 25 мм были разработаны в 20-х годах швейцарским инструментальным мастером А. У. Гуггенбергером.

Первым сооружением, расчет которого был выполнен с помощью измерения деформаций на крупномасштабной модели, был авиационный ангар в Орвието в Италии. Он был спроектирован и построен Нерви.

Модель конструкций, выполненная из целлулоида, была испытана в 1935 г. профессором Миланского технического университета Гидо Оберти, который пользовался тензометрами Гуггенбергера для измерения деформаций и прогибомерами для измерения прогибов. Несколько других моделей архитектурных сооружений было испытано Оберти в Италии и Торройей в Испании в период до 1945 г.

В течение войны 1939—1945 гг. многочисленные испытания конструкций самолетов привели к значительному совершенствованию техники испытаний. В конце 30-х годов были изобретены приборы, основанные на измерении электрического сопротивления проволоки, электроприборы на бумажной или резиновой основе, которые наклеивались на конструкции. По мере того, как длина конструктивного элемента, на который наклеены датчики, увеличивается, проволока также удлиняется, ее диаметр уменьшается и повышается электрическое сопротивление. Напротив, если проволока будет сжата, ее сопротивление уменьшится. Если в таких испытаниях используются определенные сплавы, клеи и электрические схемы, то точность электрорезисторов может быть порядка Ю-5. Когда в конце войны такие датчики стали доступными для широкого использования, исследования конструкций на моделях поднялись на качественно новый уровень. Кроме того, стало возможным устанавливать на модели большое число датчиков, а их показания регистрировать на центральном пульте. Тензодатчи- ки весят только доли грамма и их база может быть уменьшена до нескольких миллиметров. Использование моделей особенно целесообразно для исследования конструкций, расчет которых либо очень сложен, либо для которых при современном состоянии науки невозможно получить численное решение. С 60-х годов совершенствование вычислительной техники сузило область целесообразного исследования конструкций на моделях.

Анализ сооружений на моделях все еще используется для предварительных стадий проектирования, например, если архитектор придерживается необычных концепций по компоновке объема здания и хочет знать, может ли здание с задуманным им решением быть построено в разумных пределах стоимости. Архитектурные решения, которые вообще не могут быть реализованы, в наше время трудно себе представить. Небольшая модель дает возможность при невысоких затратах установить конструктивную осуществимость проекта. Получение результатов, которые с определенной точностью можно использовать для расчета конструкций, стоит значительно дороже. Если испытания показывают, что реализация принятого решения ведет к значительным расходам, их результаты, естественно, практически не получают огласки. Поэтому можно предположить, что использование моделей для анализа конструкций распространено шире, чем это находит отражение в литературе.

С другой стороны, моделирование особенно целесообразно для архитектурных сооружений, стоимость которых несопоставима со стоимостью испытаний моделей. К этой же категории относятся исследования на моделях объектов с повышенной сложностью объемного решения.

При расчетном анализе часто необходимо вводить упрощающие предпосылки. Поэтому граничные условия элементов и конструкций со сложными криволинейными поверхностями легче воспроизводить на моделях. С другой стороны, измерения на моделях не так точны, как результаты, получаемые с помощью вычислительной техники. Таким образом, модель служит для проверки результатов расчета и наоборот.

Испытания моделей часто помогают выявить принципы работы конструкций. Даже инженеры-конструкторы считают более удобным изучать поведение конструкций на модели, чем разбирать результаты машинного счета. Также проще продемонстрировать преимущества и принципы работы конструкций архитектору и заказчику. Таким образом, значительно облегчается принятие решения при проектировании зданий, строительство которых требует больших денежных затрат.

До сих пор рассматривались только модели, которые испытываются в пределах упругих стадий работы для определения напряжений и прогибов. Как было указано в разделах 2.4 и 4.10, сооружение может разрушиться от потери устойчивости при продольном изгибе до того, как оно достигнет предельных напряжений. Такого рода разрушения конструкций также лучше изучать на моделях.

Модели, были выполнены из удобного эластичного материала для их испытаний только в пределах упругости. Теория расчета по предельным нагрузкам дает решение для некоторых видов рам и балок, но пока не существует удовлетворительного метода расчета предельной несущей способности оболочек. Для таких конструкций особенно интересны испытания моделей за пределами упругости. Относительно просто выполнить модель стальной конструкции для проведения испытаний до разрушения. Кристаллы железа и углерода имеют микроскопические размеры, и для модели достаточно использовать ту же сталь, что и в конструкции. При моделировании железобетонных конструкций размеры заполнителя должны быть уменьшены, чтобы получить микробетон.

Естественно, коэффициенты подобия модели для определения предела прочности более ограничены. Модели каркасов многоэтажных зданий для испытаний в пределах упругости имеют коэффициенты подобия от 1 : 100 до 1 : 50. Тогда модель здания высотой 400 м будет иметь высоту 4 или 8 м. При использовании микробетона, имитирующего в модели действительный бетон, трудно использовать коэффициенты подобия более 1 : 15, поэтому модели для испытаний с определением предельных нагрузок могут быть выполнены только для не очень больших сооружений или их составных частей.

Хотя вычислительная техника сузила область рационального использования модельных испытаний, она в большой степени дополняет оценку результатов исследований. В 40-х годах использование большого числа тензодатчиков потребовало бы такого увеличения штата испытателей для регистрации и обработки материалов, какого не могла обеспечить ни одна лаборатория. Сейчас с помощью цифрового преобразователя стало возможным получать автоматическую печать результатов испытаний и осуществлять их перенос на перфоленту или перфокарты, которые могут быть введены в ЭВМ для выполнения необходимых вычислений и получения картин напряжений в полном или сокращенном объемах.

Источник материала: grensi.com

Категория: Архитектура
 
Предыдущая статья
Ограничение высоты зданий
  Следующая статья
Метод аналогий
 
Нравится  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Комментариев нет
 
 
Оставьте комментарий
Имя*:      
Ваш e-mail*:     (не отображается)
Адрес веб-сайта:      
 
 
Имя:  
Цитата:  
    Закрыть
 
 
 
 
* - обязательные поля
 
 
Сайт продается, присылайте
свои предложения на
cloudinfo@ya.ru