Выбор информационного параметра для практической оценки напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений при устранении их кренов

Размещено на http://allbest.ru

Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций

УДК 620.176

Выбор информационного параметра для практической оценки напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений при устранении их кренов

Шокарев В.С.

г. Запорожье, Украина

Известно, что оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов реальных конструктивных элементов (КЭ) проводится на основе критериев.

Для большинства критериев общей является их структура, в этом плане показателен критерий максимального механического усилия [1]

, (1)

где - расчетная величина усилия, - предельная величина усилия.

Критерий (1) может быть записан в виде

, (2)

где - расчетное главное максимальное механическое напряжение, определяемое величиной фактического растягивающего усилия действующего на конструктивный элемент, - нормативное значение механического напряжения, которое принимается за предельное напряжение.

В реальных условиях, при устранении крена здания состоящего из большого количества КЭ, при изменении его угла наклона происходит перераспределение горизонтальной и вертикальной составляющих усилий, а также моментов действующих на КЭ.

Поэтому необходимо непрерывно определять фактическое НДС всех КЭ, то есть, нужна информация о величине и характере изменения их НДС. Получение такой информации позволит рассчитать остаточный эксплуатационный ресурс КЭ относительно предельного его напряженного состояния, а также выделить из общего количества КЭ те КЭ, которые необходимо своевременно восстановить и одновременно скорректировать технологический процесс устранения крена.

В зданиях используют большое многообразие КЭ из бетона, железобетона, кирпича, металла листового и объемного и др., и большое многообразие их конструктивного выполнения балки, панели, плиты, колонны и т.д.

Кроме того, при корректировке планово-высотного положения строительных объектов НДС практически всех КЭ редко соответствует случаю одноосного нагружения и наиболее распространенным случаем является плоское или сложное НДС, поэтому критериальное условие предельного состояния должно быть обобщенным, то есть оно должно быть использовано для любого характера НДС и для КЭ изготовленных из различных материалов.

Например, для случая одновременного действия главных напряжений для оценки НДС требуется обобщенный критерий и соответственно обобщенный информационный параметр. Для выбора обобщенного информационного сигнала, как следует из уравнения (2), необходимо провести качественный анализ математических соотношений обобщенных критериев и установить функциональную связь между НДС материалов КЭ и их физико-механическими характеристиками.

Из известных обобщенных критериев можно выделить критерий Писаренко-Лебедева [2]

, (3)

где - интенсивность напряжений, определяемая соотношением

, (4)

здесь - главные механические напряжения; - величина, характеризующая степень участия в макроразрушении сдвиговой деформации, создавшей благоприятные условия для разрыхления материала и образования трещин.

Как показали результаты экспериментального определения предельной прочности КЭ по известным критериям для разнообразных материалов - сталей, бетона и др., наименьшая погрешность 5% получена по критерию (3). При расчете КЭ зданий и сооружений наиболее часто возникает задача расчета их НДС для случая плоского НДС тогда реальная схема нагружения КЭ упрощается и в этом случае критерий принимает вид [2]

(5)

Анализ обобщенного критерия (5) для оценки НДС конструктивных элементов показывает, что для его реализации необходимо, определить главные напряжения и коэффициента разрыхления материала .

Рассмотрим выбор обобщенного информационного параметра для получения значений и . Из уравнения (5) следует, что его левая часть является функцией НДС рассматриваемого материала, то есть можем записать для обобщенного информационного параметра :

. (6)

Уравнение (6) является уравнением информативного обобщенного параметра.

Для практической реализации уравнения (6) необходимо учесть условия которые характерны для плоского НДС: толщина материала по крайней мере на порядок меньше его длины и ширины; рассматривается НДС в поверхностном слое КЭ с максимальным и минимальным главными напряжениями , например, растягивающими.

В работах [3-7] лабораторными и теоретическими исследованиями показано, что критерий (6) соответствует требованиям обобщенности (рис.1)

Рис. 1. Предельные кривые прочности различных материалов в относительных координатах главные напряжения. 1 - сталь, 2 - твердая сталь, 3 - медь, 4 - никель, 5-10 - чугуны, 11 - гипс, 12 - пористое железо, 13 - бетон.

Приведенные на рис.1 предельные кривые прочности получены для предела прочности в направлении среднего растягивающего напряжения из числа имеющихся экспериментальных точек, по данным, приведенным в работах [3-7] и для различных значений коэффициента разрыхления ; ; . горизонтальный вертикальный строительный здание

Из рис.1 следует, что экспериментальные точки находятся между предельными кривыми и . Из рис.1, следует, что практически все материалы - металлы, бетон и др. в первом квадранте с небольшой погрешностью могут быть охарактеризованы некоторой средней кривой прочности, например, для .

Определим какую характеристику материала можно принять за обобщенный параметр.

Из теории ферромагнетизма известно, что ферромагнитные материала, например, углеродистые стали очень чувствительны к изменениям механических напряжений и их взаимосвязь описывается классическим магнитоупругим эффектом [8]

, (7)

где - намагниченность насыщения доменов (локальные области материала с собственным ориентированным магнитным потоком);

- магнитострикция материала (способность материала изменять свои геометрические размеры в магнитном поле);

- магнитная проницаемость (характеристика материала, определяющая его способность усиливать магнитный поток);

- механическое напряжение;

- константа.

Из теории электромагнитного поля известно, что величина магнитной проницаемости материала определяется средней величиной механических напряжений действующих в материале и его разрыхлением в виде пор, микротрещин и т.д.

При этом разрыхление материала уменьшает магнитную проницаемость , а механические растягивающие напряжения в зависимости от знака увеличивают или уменьшают.

Если в контролируемом материале создать электромагнитное поле (электромагнитный поток) распределенное в контролируемом материале в различных направлениях, то величина электромагнитного потока будет определяться средней величиной магнитной проницаемости, то есть формула (7) примет вид

, (8)

где , - соответственно среднее значение магнитной проницаемости и механического напряжения в контролируемом материале.

Так как, величина определяется характером напряженного состояния НДС соответствующего левой части уравнения (3), то величина которая зависит от может быть принята за обобщенный информационной параметр «Ф» (6).

Достоверность выбора в качестве информационного параметра для оценки НДС конструктивных элементов подтверждают исследованиями [10] где показано, что степень деградации структуры и свойств материала (магнитной проницаемости) при деформировании существенно зависит от жесткости напряженного состояния, определяемого соотношением:

, (9)

где - среднее напряжение, величина которого определяется формулой

, (10)

- интенсивность напряжений, которая определяется выражением (4).

Контроль магнитной проницаемости легко реализуется на основе использования магнитоупругих накладных датчиков: при контроле средних напряжений используют датчики показанные на (рис.2) [11], при контроле главных напряжений ; датчик показанный на (рис.3) [9], при этом значение у определяется на основе тарировочной зависимости информационного сигнала снимаемого с измерительных обмоток датчиков от величины у.

Рис. 2. Магнитоупругий накладной датчик с распределенным электромагнитным потоком для контроля средней величины напряжений: 1 - магнитопровод; 2, 3 - соответственно обмотки возбуждения и измерительная; 4 - устройство измерения; 5 - контролируемый материал с магнитной проницаемостью ; , - электромагнитные потоки; - воздушный зазор.

При контроле напряжений в материалах типа бетон то есть не ферромагнитных, на поверхность бетона наносят протарированный слой ферромагнитной пасты или пропитывают его ферромагнитной жидкостью и используются теже конструкции датчиков (рис 2, рис 3).

Рис. 3. Магнитоупругий П-образный датчик с ориентированным электромагнитным потоком для контроля главных напряжений: 1 - магнитопровод;

2, 3 - соответственно обмотка возбуждения и измерительная; 4 - электропроводные пластины; 5 - КЭ; - ориентированный поток, ; - корректирующие потоки; - воздушный зазор.

В приведенных на рис.2, 3 конструкциях магнитоупругих датчиков их информационный сигнал (ток, напряжение) зависит от величины воздушного зазора поэтому они могут быть использовании и в индуктивном режиме, когда изменение зазора определяет величину индуктивности L обмотки возбуждения.

При устранении кренов зданий, когда угол наклона изменяется и изменяются нагрузки действующие на КЭ, поэтому при оценке НДС конструктивных элементов необходимо знать текущую функциональную связь между напряжениями и углом наклона.

При этом угол наклона может быть определен как по величине так и по направлению при использовании устройства с четырьмя индуктивными датчиками (рис.4) и маятником [12].

Такая схема размещения датчиков позволяет за счет использования информационного параметра в виде их индуктивностей занесенных в память устройства 4 и тарировочных графиковч=ч) определить величину и направление наклона , а следовательно и величину соответствующих им напряжений например на основе информационно-измерительной системы (ИИС) [12].

Рис. 4. Схема построения устройства измерения величины и направления наклона фундаментов на основе индуктивных датчиков: ИП1чИП4 - индуктивные датчики; 2- маятник на подвеске 3 в цилиндрическом корпусе I; 4 - устройство обработки и измерения; 5 -объект.

Выводы

1. При использовании обобщенных критериев для оценки НДС материала конструктивных элементов зданий и сооружений в качестве обобщенного информационного параметра может быть использована средняя величина магнитной проницаемости.

2. Для практической реализации обобщенного критерия для оценки плоского НДС конструктивных элементов зданий и для получения функциональной связи между напряжениями и углом наклона могут использованы магнитоупругие и индуктивные датчики в режиме автоматического контроля на основе ИИС [11].

Библиография

1.Степин П.А. Сопротивление материала: Учебник для вузов. - изд.перераб. и доп.-М.: Высш.школа. 1979. -312с.

2. Писаренко Г.С., Лебедев А.А.. Деформирование и прочность материалов при сложном напряж. состоянии. Изд. "Наукова думка", Киев, 1976, С. 415.

3. Давиденков Н.Н., Ставрогин А.И. -Изв. АН СССР, ОТН, 1954, 8с.

4. Конюшко З.М,- В кн.: Сборник МВТУ, 89. Расчеты на прочность в машиностроении. Машгиз, М., 1958.

5. Мальцев В. А., Пак А.П..- Изв. ВНИИ гидротехники, 1966, 82с.

6. Надаи А.- Пластичность и разрушение твердых тел. ИЛ.М., 1954.

7. Писаренко Г.С., Трощенко В.Т., Красовская А.Я.- Порошковая металлургия, 1965, 7/31/.

8. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Пер. с яп.. -М.: Мир, 1987.- -419с.

9. А.К.Мачковский, В.И.Чаплыгин Магнитоупругий датчик. Авт.св.СССР №223434. Бюл.24., 1968.

10. Лебедев А.А., Чаусов Н.Г., Зайцева Л.В. Влияние вида напряженного состояния на кинетику разрушения и трещиностойкость мартенситной стареющей стали.Сообщ. 1. Исследование стадийности процесса разрушения // Пробл. Прочности. - 1991. - № 8. - С. 3-13.

11. Шокарев В.С., Чаплыгин В.И., Мальцева Я.В. Электромагн. информ.-измерит. Сист. контроля НДС инженерных конструкций и сооружений. Решение о выдаче патента на изобр. 24.03.206. по заявке №2002054241.

12. Шокарев В.С., Чаплыгин В.И., Мальцева Я.В., Лелека Т.А. Разработка методики мониторинга защищаемых территорий на основе локальных геоинформационных систем. Сборник научных трудов НГА Украины №9, Том 2.- Днепропетровск: РИК НГА Украина, 200.-27с.

Аннотация

УДК 620.176

Выбор информационного параметра для практической оценки напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений при устранении их кренов. Шокарев В.С. (Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, г. Запорожье, Украина)

Приводится обоснование выбора обобщенного информационного параметра для оценки фактического напряженного состояния конструктивных зданий и сооружений.

Показано, что наиболее полно соответствует обобщенному критерию оценки НДС обобщенный информационный параметр в виде средней величины магнитной проницаемости КЭ.

Размещено на Allbest.ru