автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическое определение динамических характеристик трехслойных стен

Г» О г'4 П ' '=.1

и и о 3 1

ростовский инженерно-стрсительшЯ инстатл

На правах рукописи ДРЙАС НУРШН

экспшмотально-теоршческов определение динамических характеристик трехслойных стен

05.23.17 - Строительная механика

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1991

Работа выполнена в Ростовском инженерно-строительном институте на хафадре металлических, деревянных и пластмассовых конструкций.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Ю.А.Веселев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

С.И. Тимофеев - кандидат технических наук, доцент

И.А.Краонобаев

Ведуцая организация - Ростовский ПромстройНИКпрг«у

Защита состоится " иея 1991г. в /0-00 часов «& заседании специализированного совета К.063.б'*,031 по суждению ученой степени кандидата технических наук в Ростовском инженерно-строительном институте.

Отзывы на автореферат просим направлять я двух экземплярах, заверенных печатьв, по адресу:

ЗЧФ22, г. Ростов-иа-Дону, ул.Социалистическая, 162, РЛСЙ, Ученому секретари Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 11 " апреля 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета, какдидат технических наук,

доцент ^ у^у / л. - С- Ю.А,Бсо0лев

/ з • ■

■ |

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I

Актуальность ~ гони. Перед проектировщиками, учеными и строями стоят большие задачи в области строительства, в том в по его дальнейшей индустриализации. Генеральным направ-ем ускорения научно-технического прогресса в строитольст-вляотся переход к кассовому возведению зданий и сооруже-из легких экономичных конструкций, изготовленных с примэ-ем новых эффективных видов металлического проката, прог-ивных изделий из древесины, пластмасс и других неметалли-их материалов. К подобного рода конструкциям относятся гкие трехслойные конструкции, состоящие из тонких наруж-слоев из прочных материалов и срединного слоя из материа-равнительно низкой прочности, весьма эффективного по теп-хническим характеристикам и склеенного с наружными слоя- , Обрамление контуров и проемов таких плит подкрепляющими онтами превращает их в конструкцию трехслойной стены, дос-ство которой заклинается в сочетании необходимых прочнос-жесткости и легкости с высокой технологичностью, малой оемкостью монтажа, сравнительно низкой стоимостью. Преи-ства подобных стен особенно ярко проявляются при строи-стве в труднодоступных и удаленных районах, в районах с шенной сейсмичностью и т.д.

Условием успешного применения трехслойных конструкций яв-ся комплексное решение научно-исследовательских задач по итию и совераанствованис расчета с использовангзм совре-ых методов строительной механики, дальнейиему углублению ставлений о работе таких конструкций. В частности, недос-чно хороао изучена работа трехслойных строительных конст-иГ п условиях вибрационных и других динамических воэдейст-

>

вий. Эхо обстоятельство обусловливает актуальность научных разработок, направленных на создание инженерных методик, по: воляпщих с достаточной для практической надобности точность» оценить поведение трехслойных конструкций при резонансных кс лебаниях.

Цель работы состоит в обосновании и реализации на ЭВМ hi жонерных методик динамического расчета трехслойных подкреплс шх конструкций стен, экспериментальном подтверждении этих методик.

Научная новизна. На основе МКЗ разработана и реализован на ЗВМ методика динамического расчета трехслойных подкрепле пых стен из сртотропньх материалов при резонансных колебани

Предложена методика определения логарифмического дохре канта сложной трехслойной конструкции при однсчастотных кол баииях.

Определены экспериментально зависимости логарифмичесхог декремента материала заполнителя от уровня напряжений. Раз; ботена мотодика учета этих зависимостей в динамических расч тах трехслойных плит на ЭБН методом конечных элементов.

Расчетом на ЭВМ и экспериментально определены динакичес еио характеристики трехслойной подкрепленной плиты. Произве лена сравнения экспериментальных и теоретически полученных предлагаемым методикам результатов, сделана оценка предлаг< тех кетодик.

Практическая ценность. Изломанные в работо методики ди1 »сиюекого расчета трехслойных конструкций и разработанные 1 их основа программы расчета на ЭВМ иогут быть использованы при проектировании строительных сбъохтов с применением под иых конструкций и при наличии динамических воздействий. Эт

позволит увеличить надежность проектирования таких объектов при сокращении затрат на проведение экспериментальны* работ.

Внедрение результатов работы. Разработанные программы динамического расчета трехслойных конструкций внедрены в отдела прокзданий и сооружений Ростсеского ПромстройНИЙпроекта.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс на кафедре металлических, деревянных и пластмассовых конструкция Ростовского инженерно-строительного института.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались - А6 научно-технических конференциях Ростовского инженерно-строительного института (Ростов-на-тДону, 198Ь - 199Сгг.), межреспубликанской научно-технической конференции "Численные методы репения задач строительной механики, теории упругости и пластичности" (г.Волгоград, 1990г).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований, приложения и содержит 126 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены и проанализированы литературные источники, посвяаенные приненекию и экспериментально-теоретическим исследованиям колебаний трехслойных конструкций.

Больеой вклад в развитие технических теорий расчета трехслойных плит внесли советские ученые А.Я.Александров, Л.Э.Брвк-кер, А.С.Вольмир, Э.И.Григолвк, Л.М.Курпин, А.Г.Прусаков, П.Л.Чулков и другие.

Из зарубежных ученых известны своими работами в этой области 1дНойт, Э.Рейсснер, К.Итакм, Г.Ьитте и ряд других авто-О ров.

До 70-х годов сбгок.тамя исследований,, э основном, слу-хшли плите, работающие в условиях цилиндрического изгиба н поддающиеся аналитическому расчету на статические - и'дииака-часкио воздействия. С начала 70-х годов в теории расчета трехслойных конструкций начали внедряться численные методы, чему, способствовало интенсивное развитие электронно-вьчкс-лителькой тихни кн. В большинства первая работ по дикаикгсз трехслойных пластин аналитически»« методами определяется частоты собстзониых колебаний. Анализ влияния на эти частоты тех или иких ({акторов содержится в работах Э.И.Григолвка, Л.П.Чулкова, 33.В.Осетинского, С.Н.Ееиенкова, Ю.М.Федорекко.

Метод конэчных элементов для расчета сложных шшт применяли Г.А.Павленко, Ю.В.Краснобаев, В.С.Корчеиов, В.А.Черепахи«, А.К.Гвврилои, А.А.Токарев, Э.Б.ДухапеЕич, К.Првйор, Ф.Баркер и др.

В последние года большое значение придается учету диссипации энергии при колебаниях многослойных конструкций. Обстоятельный обзор, в котором анализируется положенно дел а этой области, сделан Ю.А.Ноьичкоеым. Он отмечает, что выбор подходящей модели, описывающей поведение материалов слоев при колебаниях, составляет один из важных вопросов механики ииогослоЕнвх конструкций. Выбранная модель должна быть удобной для выполнения аналитических или численных исследовании . •

Задача об изгибных холебаклях треяслойнах панелей с учетом гистэрегисиик потерь в «аполштелз ретина В.Уктаром, И.А.Ильгамоши» В.Г.Дубэнцом. Одна» учет рассеяния энергии только в заполиителэ "не всегда справедлив. На это обстоятельство указывают В.Г.Попов, С.С.Коробко, В.В.Осотинский

и другие.

Основой современных методов и алгоритмов динамических расчетов конструкций и сооружений является теория частотно-независимого внутреннего трения, используемая в инструктивных документах. Усложнение модели для составных и нерегулярных по структура конструкций вряд ля оправдано, и в этом случае учет рассеяния энергии удобно производить на основе энергетического способе, разработанного Я.Г.Пановко, Идея учета рассеяния энергии в составных конструкциях с помссьв определения эквивалентной диссипации по отдельным собственным формам высказывается з работах Б.К.Алохсандрова, Ю.Б. Осетинского, Да,Стивенсона. Исследования, посвященные распределению энергии между слоями многослойных конструкций, работающих по простым расчетным схемам при одночастоткых колебаниях, проводили Н.А.Барадокас, Д.А.Мацюлявичус, О.Шим-кояа, Ш.Маркуп и другие. Работы Б.А.Зеленова, В.Б.Звлоноаа, Ь.Е.Осипова, К.Полтсрака, К.НагаЯо посвяяены аналитическим подходам к задачам исследоЕания колебаний трехслойных балок и плит, ройотавдих по простым расчетным схемам, с учетом гистерезисных свойств слоев.

Работ» используещих ШЭ для динамического расчета слоистых конструкций, пока не очень много. Подход, показываняий методику динамического анализа ККЗ трехслойных панелей, произвольно подкрепленных ребрами, показан Ю.В.Осетинским, К.Л.Веселепни, Х.Штенкером. Подобные методики, однако, нуждается в вычислительных наганных реализациях.

Физические и механические характеристики звполнитолоЯ, примзня'емых для строительных трехслойных конструкций, шевт тпчителышя разброс. Поэтому для дополнения расчетов целесообразно предварительное экспериментальное определение

конкретных характеристик материала. Подобные экспериментальные работы описаны С.С,Коробка, А.Е.Онельчуком, 3.Б.Лукашевичам.

Сделать заклвчение о том, что все аспекты, связанные с реиениэм задач динамического расчета трехслойных строительных конструкций, всесторонне изучены, нельзя. Из анализа рассмотренных работ сделан вывод о ток, что более детально исследованы простые балочные схемы. Что же касается нерагу-

г*

яяркых конструкций, которые могут быть расчитани только численными катодами, то они исследованы недостаточно.

Вторая глава посвящена динамическоку расчету трехслойных балочных конструкция методом конечных элементов. На основе допущений технической теории расчета таких конструкций с легким заполнителем выводится матрица жесткости трехслойного балочного конечного элемента. Изложен алгоритм динамического расчета трехслойных неразрезкых балок методом конечных элементов с учетом рассеяния энергии в слоях по "скорректированной" гипотезе Фойгта. Этот алгоритм реализован в виде вычислительной программы на языке ФОРТРАН для ЕС ЭВМ. Он использует методику разложения по нормальным координатам. Задача о собственных значениях реаается с использованием стандартных вычислительных процедур после трехкратного редуцирования исходной динамической матрицы в соответствии с количеством существенных степеней свободы и последующим расширением собственных векторов до полных. Расширение осуществляется решением системы линейных уравнений с правыми частями в виде относительных сил инерции по направлению существенных степеней свободы.

Рассмотрены аналитические решения для простейших случаев

однопролетных балок: при кинематическом возбуждении одной опоры, синхронном кинематическом юзбуадении двух опор, при сосредоточенной динамической нагрузке. Сделано сравнение решения для этих тестовых задач с решениями, полученными не ЭВМ с использованием метода конечных элементов. Исследована сходимость этих решений при увеличении числа конечных элементов. Сравнение результатов демонстрирует достаточную для практических целей точность конечно-элементной методики.

Третья глава посвящена применении коночиоэлемектной методики для динамического расчета трехслойных стен из ортот-ропиых материалов, подкрепленных ребрами, имегзих вырезы и проеиы.

Построена матрица жесткости прямоугольного трехслойного элемента с использованием физических зависимостей для ортот-ропных материалов.

В соответствии с технической теорией расчета трехслойных конструкций с легким заполнителем, для срединного слоя учитываются только сдвиговые усилия, а для наружных слоев с учетом их незначительной толаины - мембранные. Количество степеней свободы в узло - 5, порядок матрица жесткости элемента - 20. Матрица жесткости представлена в виде суммы матриц для внешних слоев и матрицы заполнителя.

Компоненты перемещений по полю прямоугольного элемента (рис.1) аппроксимируются выражениями: U^-i^i-'-oCaX-'-cC.jy-t-oUXy ; 11" - ds * oCsX * 0С7У -V с<.8 хы ; y8 - d¡ oux ♦ + x.s;

V - + otn,x +pCjs y + 0С16ХУ ;

yy - л,, -»• oCiex + oti»y + осад xa,

где 11Д V* - перемещения в плоскости верхней обиивки; IIй, Ум- перемещения в плоскости нижней обшивки; . М - перемещения из плоскости; <?С»,... оСщ - постоянные величины.

Перемещения точек заполнителя Ни У по его толщине записаны так:

V - Г +-

а» - ии н

Vе - Vм

и - а" + — г ;

н

где Н - толщина заполнителя.

Аля решения задачи динамического расчета используется метод разложения по нормальным координатам. Для решения большой частичной проблемы собственных значений привлечен метод итераций в подпространстве, хорошо зарекомендовввпий себя в последние годы при использовании современной вычислительной техники. При участий автора разработана соответствующая процедура для ПЭВМ, позволявшая с высокой точностью получать первые 8-15 частот и полных форм собственных колебаний трехслойных стен.

Для определения характеристик рассеяния энергии при од-ночастотных колебаниях составной трехслойной конструкции вычисляются амплитудные значения потенциальной энергии в слоях к-ого конечного трехслойного элемента:

пг-^аЦ.кШЧькн,

Рис, 1.

Трехслойный прямонгояьный конечный элемент плктм.

6

SUM

15-

"AW

I

■i 5- -

J.15?

чО.М-Э ИМ , ,r«

Ч.—'---ОД" »■<< 8.W WI 0.8Я OitJÎ _

¿T% 4'-5 Т

7 j 3 м n 13 vt 15 is a

(НОМЬР HTEPAU/H)

fho. a

Сходимость итерационного г»гоцЕсса

Здесь {л]: - вектор - ой формы колебаний, относящийся к каждому конечному элементу;

[ К] - матрицы жесткости отдельных элементов.

Выражение логарифмического декремента составной стены при одночастотных колебаниях по 1-ой форме:

ап п

где б* би,Бэ, б' - логарифмические декременты соответственно внутренней и наружной обшивок, заполнителя и ребер;

П - амплитудное значение потенциальной энергии стены;

Л П - потеря энергии за один цикл колебаний.

В практических динамических расчетах строительных конструкций характеристики рассеяния энергии материалов принимается постоянными. Но экспериментальные данные это не подтверждает. Поэтому в диссертационной работе реализована методика итерационного уточнения логарифмического декремента стены при одночастотных колебаниях в соответствии с экспериментальной зависимостью декремента заполнителя от уровня в нем амплитудных касательных напряжений.

После определения частот и Форм собственных колебаний стены находятся напряжения в слоях плиты, исходя из средних значений логарифмических декрементов материалов. После этого реализуется итерационная процедура уточнения логарифмических декрементов в материале заполнителя каждого конечного элемента в зависимости от средней величины касательных напряжений. Уточняется потери энергии в каждое кекечнем о~емен-

те, после чего пересчитимягся логарифмические декременты всея стены. С учетом полученных значений определяются заново напряжения в конечных элементах. Цикл повторяется до тех пор, пока разница в логарифмических декрементах всей стены, найденных при выполнении двух соседних итераций, будет мень-ве наперед заданной малой величины. Пример сходимости итерационного процесса для конкретной трехслойной панели показан на рис. 2.

Разработана программа динамического расчета трехслойных стен методом конечных элементов в условиях кинематического вибрационного возбуждения в резонансных реяиках$нэписана программа на языке ПАСКАЛЬ для ПЭВМ, совместимых с IBM PC AT/XT. Зависимость логарифмического декремента материала заполнителя от уровня а кем амплитудных значений касательных напряжений задается в исходных данных з виде таблицы соответствия точечных значений декреиекта и напряжений.

К&х показали пробные расчеты по программе ряда трехе' *

дойных панелей, итерационное уточнение потерь в заполнителе дает в большинстве случаев значительное увеличение прогибов и напряжений. Б некоторых случаях эта разница достигала 5С£, что говорит о практической целесообразности применяемся методики. С целью демонстрации возможностей*разработанной программы в диссертации описан расчет подкрепленной трехслойной стены, показанной на рис. 5.

В четвертой глазе описан эксперимент по определению динамического модуля сдвига конкретного пенопластового полиуре-танового заполнителя, по построении зависимости логарифмического декремента этого заполнителя от уровня амплитудных касательных «апряжоний в нем, в также частоты коле-

из

Е73

рис. а.

Остановка для испытаний овгаэца иг шмопзмстга •.

1-подвижная иайБд; г-ВДйб»; з-рычяг с резкой ; Л - мвбса; вал; б- оет-язеч.

б)

61

мла

I

I--1310 МПа

05 №Па

"0.05 0.10 0,11 МГй 0.05 С.® 0,!5"

РИС. ч.

ЭкстоЕВШЕНтлпьные «завлек мости зюгдрифмического декреме ита ПЕНОГшаста : а - От уровня касатытьимх. напряжений

б - от частоты колебаний .

1Ь

биний.

Экспериментальная установка для испытания цилиндрически* образцоз мз пенопласта представлена на ряс. 3. К подвижной аайба с помочь» симметрично расположенных рычагов крепились массы, положения которых могло меняться их навинчиванием на рычаги. Первоначальным эакручивание[4 образца система приводилась во врацатвлько-колебагелькое двиивнио. На пенопласт были наклеены электрические танзорззисторы» направление которых совпадало с направлением главных напряжений в образце. Тензорезистора подключались к электрическому светолучевому осциллографу, з помогьз которого колебательные процессы записывались на фотопленку. Полученные осциллограммы обрабатывались на ПЭВМ " Искра - 1030м, в результате чего осциллограммы сглаживались и определялись логарифмические декременты на каждой волне затухавших колебания. Среднестатистические результаты определения логарифмических декрементов представлена на рис. Полученные зависимости использовались я расчетах на ЭВМ трехслойных конструкций по разработанной программе.

Описан также эксперимент по определению динамических характеристик трехслойной плиты, обрамленной по контуру ребрами и опертой в Ь точках с пскоаью подшипников Срис.5). Такое опирание было приравнено к варнирно опертой по контуру трехслойной плиты.

Отклонение плиты от раьновасксго состояния осуществлялось натяжением струны, подкрепленной к ценру платы, Лослэ перерезания струны возбуждались собственные затухающие колебания плиты. Колебательные процессы фиксировались на фо-топлеигу аналогично описанным выяе.;Та же самая плита была

■ М

Эй 3» 35

гг »

м

1? и

м

3« 3? 9»

©

1 1 1 1 1

1 1 »—1

1 1 1 1 в 1 1

1 ! 1 в © 1 1

1 -И- 1 ____д ® © 1 1

1 1 (

1 1 1 1

1э

Ш & © а

93-

93 М 7г

и

45 35 VI

1030

шшя

*1

4Г

Р«С. 5

Тгеасгойнля плита . 1

в

э-в

Рис. 6 ,

Трехслойная плта д.п* экспЕРиментадк^ьл исследований 1-подшипник, &-РЕБ?О, 5-заполнитЕль, -ц-осиш&кп

испытана посла закрепления в ее центре дополнительной массы для уменыаения частоты колебаний. В первом случае частота основного тона колебаний составила 78 Гц, во втором случае - 17,1 Гц.

Эта плите была расчитана по разработанной программе на ЭВМ при разном числе хонэчных элементов. Расчетом тек же была сделана проверка приближения реального закрепления плиты к парнирному яакропленив по контуру. При одинаковом разбиении плиты результаты для двух вариантов опиракия практически совпали. Расхождение по частоте первого тона, полученной расчетом и экспериментально, составила от до 10,1,? при разной конечно-элементной разбивке.

ОСНОВНЫЕ выводи И РЕЗУЛЬТАТУ

1. Путем анализа литературных источников ьыявлено, что расчетные схемы трехслойных строительных конструкций бывает достаточно сложными в смысла ослаблений, подкреплений и онирания. Установлено, что динамическое поведение таких конструкций изучено недостаточно.

2. Построены матрицы жесткости балочного трехслойного элемента, имеющего 6 степеней свободы, и прямоугольного, алеющего 20 степеней свободы, иь ортотропных материалов. Сформулированы и описаны задачи динамического расчета трехслойных неразреэньх балок, а также стен с подкреплениями и проемами в кокечно-алеиентной постановке, в частности, при вибрационном кинематическом возбуждении. Разработаны алгоритмы и составлены программ раочота на ЗБМ динамического расчета трехслойных стен с помоаьо разложения по нормальным коардинатам и метода конечных элементов. Для репенкя больной частичной проблемы собот-

1В

венных значений разработана машинная процедура, реализующая метод итераций в подпространство.

5. Рокену некоторые задачи колебаний трехслойных балок и плит аналитическими методами,произведены сравнения результатов, полученных по двум методикам. Сделан вывод об удовлетворительном соответствии этих результатов и целесообразности практического применения конечно-элементных методик.

6. Разработана и вклсчена в программу динамического расчета стен итерационная процедура уточнения потерь энергии в заполнителе при резонансных колебаниях с использованием экспериментально полученных зависимостей характеристики затухания заполнителя от уровня амплитудных касательных напряжений. Уточнение потерь изменяет результата по напряжениям и перемеаеняям (в некоторых случаях

.ДО 50%).

7. Экспериментально получена зависимость логарифмического декремента колебаний конкретного пенопласта от уровня касательных напряжений, которая использовалась в расчетах на ЭВМ.

Изготовлена и испытана на собственные колебания трехслойная плита с обрамлением по контуру, имитирующим иар-нирное опирание. Сравнение частот основного тона колебаний, полученных путем расчета на ЭВМ, аналитически к экспериментально, показало близость этих величин.

в. Проведенные исследования и разработанные программы на ЗЕМ позволяют расчитывать сложные трехслрРные стены, для которых ревеиия практически не могут быть получены аналитически.

Основные положения диссертации опубликованы в следув-

цих работах:

1. Веселев O.A., Дриао Н, Динамический расчет трехслойной балки с легким заполнителем на основе ИКЭ // Легкие конструкции зданий. - Ростов-на-Дону: РИСИ, 1989,

с. 85 -93.

2. Веселев O.A., Дриао Н., Кубев И.В. Экспериментальное определение динамических характеристик трехслойных плит с легким заполнителем // Новые легкие конструкции зданий. - Ростов-на-Дону, РЙСЙ, 1590, с. 96 - 100.

3. Осетинский Ю.В., Веселев С.А,, Дрняс И. Дифференцированный подход к учету рассеяния энергии в динамических расчетах трехслойных подкрепленных плит о помояьв ККЭ // Сб. докладов Межреспубликанской научно-технической конференции "Численные методы реаения вадеч строительной механики, теории упругости и пластичности". - Волгоград, 1990, с. 27 - 28.

Подписана в печать 10.04.91.

Зормат 60x84 I/I6, бумага писчая. Печать офсетная. Услов. п.л. I п.л. Тирпя 100 экз. Заказ ?> 447. Бесплатно.

Огпечптяно нл сстатринте ГйСИ. 344022 г. Ростов-на-Лону, ул. Социалистическая; 162,