Тема: Учёт пластических деформаций в расчёте рам методом перемещений
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 14
РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
2.1. Анализ НДС зоны пластичности 26
2.2. Анализ НДС стержня 33
2.2.1. Предварительные замечания 34
2.2.2. Расчётная схема 36
2.2.3. Приведённый модуль упругости УПЗ 37
2.2.4. Определение усилий в балке 40
2.2.5. Частный случай 45
РАЗДЕЛ 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПЛОСКОГО КАРКАСА 50
3.1. Постановка задачи. Порядок расчёта 50
3.2. Предварительный расчёт. Выбор основной системы метода перемещений 52
3.3. Определение предельной нагрузки по ТПР 58
3.4. Упругий расчёт 60
3.5. Нелинейный расчёт методом последовательных нагружений 64
3.5.1. Сущность метода 64
3.5.2. Определение нагрузки формирования УПЗ 66
3.5.3. Определение предельных нагрузок 72
3.6. Нелинейный расчёт методом кусочно-постоянных жесткостей 77
3.6.1. Сущность метода 77
3.6.2. Определение нагрузки формирования УПЗ 80
3.6.3. Определение предельных нагрузок 88
РАЗДЕЛ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 94
РАЗДЕЛ 5. ПРИМЕР РАСЧЁТА КАРКАСА С УЧЕТОМ НАЛИЧИЯ НЕСКОЛЬКИХ ЗОН
ПЛАСТИЧНОСТИ 101
РАЗДЕЛ 6. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ НАУЧНЫХ ВЫВОДОВ НА ПРАКТИКЕ 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
ПРИЛОЖЕНИЯ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Текст программы в ПК MATLAB, использованной для первого расчёта 122
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Текст программы в ПК MATLAB, использованной для второго расчёта 128
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Текст публикуемой научной статьи (Вестник ЮУрГУ) 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Текст публикуемой научной статьи (Сборник «Наука ЮУрГУ») 145
📖 Введение
Явление пластичности удобно рассматривать на известном примере растяжения (сжатия) стандартного цилиндрического стального образца [2].
До точки А с напряжением оп(предел пропорциональности) пластические свойства в материале не проявляются: при снятии нагрузки, значения напряжений и деформаций вернутся в исходную точку O(рис. 1). При этом, зная величину напряжения о < оп можно однозначно определить соответствующую ему деформацию г = р
Точке B на графике соответствует напряжение оу - предел текучести. Это тот предел напряжений, при превышении которого в материале возникаю заметные необратимые деформации.
Если довести напряжения до значения ос> оу, после чего начать разгружать образец, то, как только нагрузка будет снята полностью, у него обнаруживается
остаточная (пластическая) деформация. Для конструкций зданий и сооружений величиной этой деформации пренебрегать нельзя, поскольку, как известно из курса строительной механики [3], перемещения, возникающие в одном конструктивном элементе, могут способствовать возникновению дополнительных усилий во всем каркасе.
Исследование пластических свойств материалов велось ещё в первой половине XX века [4]. Обширная теоретическая база была отражена в трудах зарубежных [5, 6] и отечественных исследователей, среди которых можно выделить работы таких авторов, как: Ильюшин А.А. [1], Клюшников В.Д. [7], Безухов Н.И. [8], Морозов Е.М. [9], Ивлев Д.Д. [10], Работнов Ю.Н. [11], Соколовский В.В. [12].
Однако методики, разработанные для решения конкретных инженерных задач [13], подразумевают ведение расчета с применением метода предельного равновесия (МПР).
Сущность этого метода заключается в аппроксимации диаграммы зависимости между напряжением и деформацией до схематизированной трапецеидальной (диаграмма Прандтля). До предела текучести имеет место линейная зависимость, согласно закону Гука, сверх него - неограниченная площадка текучести (рис. 2а).
Пластический шарнир имеет одностороннее действие, т.е. допускает поворот без изменения усилий только до тех пор, пока угол перелома в шарнире не начнет убывать.
Теоретически, Mo- предельный момент в стержне. На самом деле еще при конечной кривизне краевые деформации преодолеют площадку текучести (при том условии, что она имеется) и начнется упрочнение. Поэтому величина Mo в действительности может быть превышена (рис. 4). Для балки из строительной стали при изгибающем моменте М = М0кривизна еще конечна, а эпюра напряжений вместо теоретического очертания примет вид, показанный на рис. 3в.
Образование пластического шарнира при изгибе статически неопределимых рам и балок не означает потери несущей способности системы, поскольку она не становится в этом случае геометрически изменяемой. n раз статически неопределимая система лишь становится n- 1 раз статически неопределимой (рис. 5). При этом потеря несущей способности происходит при образовании пластических шарниров в количестве m
- Упругий расчет. Определяются усилия в системе от действующих нагрузок и сечение (сечения), в котором действует наибольший изгибающий момент (рис. 5а);
- Из упругого расчета определяется параметр нагрузки, при котором в наиболее опасном сечении возникает момент M= M0, строится эпюра изгибающих моментов (рис. 5б);
- Расчетная схема заменяется на схему с пластическим шарниром. При этом вблизи шарнира с двух сторон действуют изгибающие моменты М0 (рис. 5б);
- Строится эпюра моментов от приращения действующей нагрузки для новой расчетной схемы (рис. 5в). По суммарной эпюре (рис. 5г) определяется очередное
опасное сечение и соответствующий параметр нагрузки;
- Замена схемы, определение опасного сечения и расчет нагрузки продолжается (рис. 5е) до тех пор, пока не будет достигнута геометрическая изменяемость (рис. 5ж).
Метод предельного равновесия, не смотря на свою простоту, не является достаточно точным. Как было указанно выше, исходя из схематичности диаграммы, изображенной на рис. 2, полученные таким образом выводы о напряженно- деформированном состоянии системы дают относительное и нередко довольно грубое приближение к действительности [15]. Значение нагрузки, при котором возникает деформация разрушения, может значительно отличаться от той, которая была определена данным методом.
Повышение точности расчета возможно лишь при учете реальной диаграммы деформирования (рис. 1). В отличие от метода предельного равновесия, моменты в сечениях изгибаемых элементов могут превысить значение Mo.Более того, уже при M
Длину этой зоны, очевидно, можно определить по длине участка эпюры, для которого выполняется условие M>Мт, однако картина распределения усилий в элементах статически неопределимых систем, как известно [17], зависит от параметра нагрузки и жесткости всех её элементов, на которую, в свою очередь, влияет конфигурация зоны пластичности. Таким образом, зависимость между параметром нагрузки и усилиями становится неоднозначной, а расчет - нелинейным.
Важными параметрами зоны пластичности является жесткость и характер ее изменения по длине. Определение этих величин представляет собой невероятно трудную задачу. Это связанно, в первую очередь, со сложным очертанием кривой (рис. 1); поэтому ее можно аппроксимировать до кусочно-линейной (рис. 7). Очевидно, что точность вычислений тем выше, чем больше число линейных участков, учитываемых на диаграмме.
В данной работе рассматривается билинейная диаграмма деформирования материала с упрочнением (рис. 7 а). Считается, что при плоском напряженном состоянии при напряжении о < оу в данной точке тела имеет место упругое деформирование, а модуль упругости равен E.Это означает, что при поперечном изгибе симметричной балки сечение, в ко-тором действует изгибающий момент M<Мт работает упруго (рис. 8а, б). С превышением момента Мт начинает формироваться зона пластичности, поперечные сечения которой можно разделить на 2 части - упругое ядро высотой 2ути пластическую часть (рис. 8в). Гипотеза плоских сечений считается справедливой, поэтому эпюра напряжений в обеих частях сечения имеет линейных характер. С увеличением момента величина ут уменьшается, а напряжения возрастают до тех пор, пока в крайних волокнах они не достигнут значения ом (рис. 8г). Необходимость изучения зон пластичности и их диссипативных свойств относится, в первую очередь, к вопросам динамического расчета. Исследование работы конструкций зданий в упругопластической стадии является актуальной задачей в приложении к расчетам области сейсмостойкого строительства. Главным образом, этот вопрос касается проектирования высотных (в том числе, уникальных) зданий и сооружений [18].
В последние годы появилось множество работ, посвященных изучению упруго-пластических систем и их диссипативных свойств. Проведенные исследования продемонстрировали, что с увеличением пластической деформации коэффициент поглощения вначале растет, а затем убывает. Данные исследования, проведенные на простейших моделях сооружений, дают возможность выявить лишь качественные характеристики колебаний упруго-пластических систем. Один из важнейших выводов из этих исследований состоит в том, что ускорения (а, следовательно, и инерционные силы), возникающие в таких системах имеют меньшие величины, чем в упругих системах. Это свидетельствует об эффективности использования упруго-пластической работы конструкций при сейсмическом воздействии [19]. Обеспечить сейсмостойкость сооружения можно через поглощение энергии элементами конструкции через появление пластических деформаций.
✅ Заключение
Жесткость УПЗ рассматривается с точки зрения понятия приведенного модуля упругости Ex,выражение для которого определяется по трем различным вариантам. По результатам анализа всех трех вариантов выявлено, что пластические де-формации в УПЗ практически не оказывают влияния на работу всей конструкции (разница находится в пределах 1%) и могут не учитываться в расчетах. На основании полученных результатов подготовлены к публикации статьи журнале «Вестник ЮУрГУ» (Приложение В) и сборнике «Наука ЮУрГУ» (Приложение Г).
Для осуществления нелинейного расчета рамы представлено два алгоритма: метод последовательных нагружений и метод кусочно-постоянных жесткостей. Оба подхода могут быть применены на практике, что подтверждается расчетом двухэтажной стальной рамы, воспринимающей нагрузку, соответствующую второй форме колебаний.
Результаты проведенного расчета свидетельствуют о том, что при возникновении зон пластичности в ригеле плоских рам имеет место перераспределение усилий по остальным ее элементам, что позволяет конструкции воспринимать нагрузку, превышающую предельно-упругую. Такие результаты демонстрируют, что применение обозначенных в работе методик позволит повысить экономичность проектируемых конструкций.
Во втором примере, рассмотренном в рамках научно-исследовательской работы, приведен расчет рамы, в основной системе которой число пластических зон превышает 1. Полученный результат свидетельствует о том, что увеличение значения предельной нагрузки возможно при повышении числа зон пластичности.
Обозначены основные направления дальнейшего исследования. Полученные результаты имеют большое значение в области сейсмостойкого строительства. Развитие исследования диссипативных свойств систем, работающих в пластической стадии, позволит в дальнейшем расширить возможности проектирования высотных (главным образом, уникальных) зданий и сооружений, воспринимающих сейсмическое воздействие.
Цели и задачи, поставленные в данной научно-исследовательской работе, считаются достигнутыми.



